Когда первые звезды осветили вселенную?

Вскоре после Большого взрыва 13,7 миллиардов лет назад Вселенная достаточно остыла, чтобы образовались атомы, которые в конечном итоге слиплись, образовав первые звезды. С тех пор как эти звезды зажглись, их свет заполнил вселенную, создавая повсеместное свечение во всем пространстве, к которому прибавляется каждое последующее поколение звезд.

Астрономы пытаются заглянуть в начало Вселенной, чтобы увидеть, как все это началось - первый свет. Теперь астрономы использовали радиотелескоп Murchison Widefield Array (MWA) для обнаружения сигналов от звезд детской вселенной.

Ученые недавно опубликовали статью в Астрофизическом Журнале, где они представляют первое исследование данных из новой конфигурации MWA, специально разработанной для поиска знака нейтрального водорода, газа, который доминировал во вселенной во время космического темного века. Исследование устанавливает еще один переломный момент - самый низкий предел для силы сигнала нейтрального водорода.

Джонатан Побер, доцент физики в Университете Брауна и соответствующий автор новой статьи, сказал: “Мы можем с уверенностью сказать, что если бы сигнал нейтрального водорода был хоть немного сильнее, чем предел, который мы установили в этой статье, то телескоп обнаружил бы его. Эти открытия могут помочь нам еще больше ограничить время, когда космические темные века закончились и появились первые звезды.”

Несмотря на его важность в космической истории, мало известно о периоде образования первых звезд, который известен как Эпоха реионизации (EoR). Исследование эпохи реионизации (EoR) может раскрыть существенную информацию об эволюции ранней Вселенной, а также о свойствах УФ и рентгеновских лучей первых галактик.

Ионы водорода (положительные) были первыми атомами, которые образовались после Большого взрыва. По мере того, как Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться, нейтральный водород объединялся в квазары, галактики и первые звезды.

Ученые пытаются искать сигнал, вызванный светом этих тел, повторно ионизирующим нейтральный водород в межгалактическом пространстве. Восприимчивые детекторы требуются для этого обнаружения от длины волны 21 см до 2 м из-за расширения вселенных.

Цель таких проектов, как тот, что происходит в MWA, - найти сигнал о нейтральном водороде из темных веков и измерить, как он изменился по мере развертывания EoR. Это может открыть новую и критическую информацию о первых звездах - строительных блоках вселенной, которые мы видим сегодня. Но уловить любой проблеск этого 12-миллиардного сигнала - трудная задача, требующая инструментов с исключительной чувствительностью.

Ученые отметили: "нейтральный водород испускает излучение на длине волны 21 сантиметр. Поскольку Вселенная расширилась за последние 12 миллиардов лет, сигнал от EoR теперь растянут примерно до 2 метров, и это то, что мы ищем. Проблема заключается в том, что существуют мириады других источников, которые излучают на той же длине волны — созданные человеком источники, такие как цифровое телевидение, а также природные источники из Млечного Пути и из миллионов других галактик.”

Побер сказал: «Все эти другие источники на много порядков сильнее сигнала, который мы пытаемся обнаружить. Даже радиосигнала FM, который отражается от самолета, проходящего над телескопом, достаточно, чтобы загрязнить данные ».

Чтобы обнаружить сигнал, ученые использовали множество методов обработки для удаления этих загрязнений. Кроме того, они представляют различные частотные характеристики самого телескопа.

Побер сказал: "Если мы посмотрим на разные радиочастоты или длины волн, то поведение телескопа будет несколько иным. Корректировка отклика телескопа имеет решающее значение для последующего разделения астрофизических загрязнений и интересующего сигнала.”

"Эти методы анализа данных в сочетании с расширенной пропускной способностью самого телескопа привели к новой верхней границе мощности сигнала EoR. Это второй последовательный анализ наилучших предельных значений, который будет опубликован MWA, и вселяет надежду, что эксперимент однажды обнаружит неуловимый сигнал EoR”.

Этот анализ демонстрирует, что модернизация второй фазы имела много желаемых результатов и что новые методы анализа улучшат будущие анализы. Тот факт, что теперь MWA опубликовал два лучших ограничения сигнала, дает импульс к идее, что этот эксперимент и его подход имеют многообещающие перспективы.