Следы водорода, возрастом миллиарды лет, могут помочь составить карту Вселенной

Фото из открытых источников

Астрономы использовали радиотелескоп MeerKAT для обнаружения водородного газа, находящегося в миллиардах световых лет от нас — газа, образовавшегося в период, когда космос был на миллиарды лет моложе своего нынешнего возраста, составляющего 13,8 миллиарда лет. Результаты исследования были опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.

Данное исследование может предоставить астрономам новый способ картирования крупномасштабной структуры Вселенной. Метод будет основан на определении местоположения водорода, самого легкого и распространенного элемента во Вселенной, по всей её ареале. Этот метод известен как картирование интенсивности водорода.

Нейтральный водород испускает слабый радиосигнал, который астрономы называют 21-сантиметровой линией. По мере расширения космоса под воздействием темной энергии длина волны этого радиосигнала растягивается, или «красносмещается». Крайнее значение красного смещения позволяет астрономам определить, как долго конкретный сигнал распространялся до нас и, следовательно, в какой период Вселенной существовал водород, который его испустил.

Используя 21-сантиметровую линию, метод картирования интенсивности водорода позволяет астрономам отслеживать радиоизлучение от ранее невидимых галактик и создавать трехмерную картину крупнейших структур во Вселенной. Однако до сих пор этот метод основывался на сочетании обнаружения радиоволн с наблюдениями в рамках галактических обзоров, работающих с видимым светом, или электромагнитным излучением, которое наши глаза эволюционно приспособлены видеть.

Новое исследование бросает вызов этой тенденции, создавая карту интенсивности водорода с использованием радиоволн, обнаруженных радиотелескопом MeerKAT, состоящим из 64 антенн в Национальном парке Миркат в Северном Кейпе Южной Африки.

«Это очень важная веха», — заявил руководитель группы Сураб Пол. «Картирование интенсивности водорода долгое время рассматривалось как многообещающий способ эффективного картирования Вселенной, но сигнал чрезвычайно слаб и его трудно отделить от фонового излучения, антропогенных радиочастотных помех и инструментальных эффектов. Обнаружение его напрямую с помощью MeerKAT показывает, что этот метод становится практическим инструментом для космологии».

Группа исследователей, проводившая это исследование, проанализировала около 96 часов наблюдений телескопа MeerKAT и обнаружила сигналы водорода, датируемые периодом от 4 до 5 миллиардов лет назад. Этот водород простирается на расстояния в несколько миллионов световых лет, что сопоставимо с расстоянием между Млечным Путем и нашей соседней галактикой Андромедой.

Это достижение представляет собой шаг вперед в расширении возможностей картирования водорода.

«Нейтральный водород — один из ключевых компонентов для понимания того, как формируются и эволюционируют галактики», — заявил член команды Чжаотин Чен из Эдинбургского университета. «Благодаря картированию интенсивности нам не нужно обнаруживать каждую отдельную галактику. Вместо этого мы можем измерить коллективный сигнал водорода в больших космических объемах, что дает нам новый способ изучения как эволюции галактик, так и распределения материи во Вселенной».

Будущие космологические исследования могут значительно выиграть от развития картирования водорода. Это станет важным фактором при строительстве обсерватории Square Kilometre Array (SKAO), которая в настоящее время строится в регионе Мерчисон в Западной Австралии и регионе Кару в Южной Африке.

«MeerKAT продолжает открывать новые горизонты для космологии», — сказала член команды Лаура Вольц из Манчестерского университета в Великобритании. «Тот факт, что этот сигнал можно извлечь из наблюдений, которые изначально не были предназначены для картирования интенсивности водорода, очень обнадеживает. Это демонстрирует огромную научную ценность данных MeerKAT и указывает путь к будущим наблюдениям с помощью SKAO».

Теперь команда сосредоточится на сборе дополнительных данных с помощью MeerKAT, охватывающих большие участки неба в течение более длительных периодов времени. Это должно предоставить астрономам еще более подробные карты водорода, которые со временем могут помочь понять, как формировались крупнейшие структуры во Вселенной на протяжении миллиардов лет.

«Это был сложный процесс анализа данных, требующий детального понимания многочисленных источников загрязнения, которые могут повлиять на такие слабые измерения», — сказал член команды Марио Г. Сантос из Университета Западного Кейпа, Австралия. «Особенно примечательно, что данные, использованные в этом исследовании, были получены в 2018 году, когда MeerKAT только начал научные исследования. Сейчас существует богатый массив данных MeerKAT, ожидающих изучения с помощью этого метода».