Астрономы впервые измерили распределение водорода в космической паутине Вселенной
Международная группа астрономов впервые напрямую измерила крупномасштабное распределение нейтрального водорода по его радиоизлучению, не определяя положение отдельных галактик. С помощью южноафриканского радиотелескопа MeerKAT учёные обнаружили слабый сигнал, показывающий, как газ распределялся в космической паутине около 4,5 миллиарда лет назад. Достоверность измерения составила 6,2 по отношению сигнал/шум. Результат подтверждает возможность нового способа исследования структуры Вселенной, позволяющего в перспективе создавать огромные трёхмерные карты распределения вещества.
Исследование выполнила международная коллаборация MeerKLASS при участии специалистов Портсмутского университета, Университета Западного Кейпа и других научных организаций. Работа стала итогом почти десяти лет разработки методов наблюдения и обработки данных. Одним из ключевых участников проекта был Стивен Каннингтон из Института космологии и гравитации Портсмутского университета, возглавлявший разработку программной системы для выделения слабого космологического сигнала.
Нейтральный водород является одним из наиболее распространённых компонентов газовой среды галактик. Его атомы испускают характерное радиоизлучение с длиной волны около 21 сантиметра, возникающее при изменении взаимной ориентации магнитных моментов протона и электрона. Поскольку расширение Вселенной растягивает длину волны излучения, по принимаемой частоте можно определить, насколько давно оно было испущено. Это позволяет исследовать распределение водорода в разные эпохи космической истории.
Обычно для построения трёхмерных карт Вселенной астрономы измеряют положения и расстояния до огромного количества отдельных галактик. Метод картирования интенсивности водородного излучения работает иначе: радиотелескоп регистрирует суммарный сигнал от множества галактик внутри сравнительно крупных областей неба. В результате учёные получают сведения об общем распределении газа, даже если отдельные источники не удаётся различить.
Для исследования использовались наблюдения радиотелескопа MeerKAT, проведённые в 2021 году в рамках обзора MeerKLASS. Астрономы проанализировали участок неба площадью около 236 квадратных градусов, что соответствует примерно 1200 видимым дискам полной Луны. Измерения охватывали радиочастоты от 971,2 до 1023,6 мегагерца. Они позволили исследовать водород на красном смещении около 0,42, когда возраст Вселенной составлял немногим более девяти миллиардов лет.
Главной технической трудностью стало чрезвычайно слабое излучение космического водорода. Его интенсивность оказалась примерно в 10 тысяч раз меньше суммарного излучения более близких астрофизических источников, прежде всего нашей Галактики. Дополнительные помехи создавали шумы приёмников и небольшие изменения характеристик оборудования. Чтобы выделить полезный сигнал, исследователям потребовались новые методы обработки и многократной проверки данных.
Обычно MeerKAT работает как радиоинтерферометр, объединяя сигналы 64 антенн для получения подробных изображений небесных объектов. Однако в этом исследовании каждую антенну использовали как самостоятельный радиотелескоп. Такой режим уменьшает угловое разрешение, зато позволяет быстрее обследовать большие участки неба и регистрировать распределённое радиоизлучение, которое трудно измерить обычным интерферометрическим способом.
Учёные разделили наблюдения на несколько независимых наборов, полученных разными антеннами и в разные периоды времени. После удаления мощного фонового излучения они сравнили результаты между собой. Реальный космический сигнал должен проявляться в разных наборах данных одинаковым образом, тогда как многие инструментальные шумы и случайные помехи не совпадают. Именно такое сравнение позволило выявить характерные пространственные изменения интенсивности водородного излучения.
Полученные измерения показали статистически значимое распределение водорода на космологических масштабах, согласующееся с представлениями о крупномасштабной структуре Вселенной. Материя образует протяжённые нити, узлы и обширные области пониженной плотности, которые вместе называют космической паутиной. Галактики и окружающий их газ преимущественно сосредоточены вдоль наиболее плотных участков этой структуры.
При этом исследователи пока не построили полноценную трёхмерную карту водородной паутины. В новой работе измерен спектр мощности — статистическая характеристика, показывающая, насколько сильно распределение газа неоднородно на разных пространственных масштабах. Авторы также отмечают, что отдельные наборы наблюдений сохраняют остаточные систематические погрешности, хотя итоговый результат успешно прошёл серию дополнительных проверок.
Новый метод представляет особый интерес для будущей радиообсерватории Square Kilometre Array (SKA), создаваемой в Южной Африке и Австралии. Благодаря значительно большей чувствительности и широкому охвату неба она сможет исследовать распределение нейтрального водорода на гораздо больших расстояниях. Такие измерения необходимы для уточнения истории расширения Вселенной, распределения тёмной материи и влияния тёмной энергии на формирование космических структур.
Исследование в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.