Прорывные измерения космического водорода меняют представления о Вселенной

Фото из открытых источников

Достижения в вычислительной технике и астрономии привели к появлению все более сложных попыток составить карту крупномасштабной структуры Вселенной. В течение последнего десятилетия ученые работают над картированием одного конкретного аспекта, чтобы проверить, соответствует ли он наблюдениям космической сети: космического водорода. В течение первых нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва нейтральный водород был единственным элементом во Вселенной (известным как «космические темные века») и обеспечивал сырье для звезд, галактик и космической сети.

Сегодня водород остается самым распространенным элементом во Вселенной и встречается повсюду — в межзвездной среде (МЗС) и межгалактической среде (МГС) — в больших количествах. В течение последнего десятилетия ученые из коллаборации MeerKLASS пытались измерить, как нейтральный водород «сгущается» в далекой Вселенной. В исследовании, опубликованном в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), команда объявила о первом прямом измерении крупномасштабной структуры космического водорода.

Коллаборация MeerKLASS (MeerKAT Large Area Synoptic Survey) — это международная группа астрономов, проводящих космологические исследования с использованием радиотелескопа MeerKAT. Их исследование основано на методе, известном как картирование интенсивности HI (или интенсивности 21-см), для обнаружения суммарного излучения галактик в больших сегментах неба. Это позволяет создавать трехмерные карты космоса, показывающие распределение материи (газа, пыли, звезд, галактик, скоплений и т. д.) в космической сети.

Это непростая задача, поскольку сигнал на длине волны 21 см необходимо выделить из всех остальных излучений Вселенной («фонового шума»), которые примерно в 10 000 раз сильнее самого сигнала водорода. Для этого команда решила использовать каждую антенну в массиве как независимый телескоп, а не объединять все 64 антенны в один интерферометр. Это был совершенно новый режим наблюдения для MeerKAT, в котором высокая угловая разрешающая способность была принесена в жертву очень высокой скорости обзора.

Для своего исследования команда проанализировала данные, собранные массивом MeerKAT на площади около 250 квадратных градусов неба. Это позволило обнаружить сигнал нейтрального водорода, возникший 4,5 миллиарда лет назад (или через 9 миллиардов лет после Большого взрыва). Измерения команды позволили получить множество независимых карт, созданных с помощью разных приборов и в разное время наблюдений. Затем эти карты были сопоставлены, чтобы подавить влияние отдельных приборов и подтвердить структуру космического водорода.

Результаты их исследований показали, что космический водород отражает крупномасштабную структуру космической сети, что способствует развитию метода, способного изменить подход космологов к картированию Вселенной. Стивен Каннингтон, старший научный сотрудник Института космологии и гравитации Университета Пердью, руководил разработкой аналитического конвейера, позволившего составить карту космического водорода. С 2015 года он также является соруководителем одной из рабочих групп в рамках коллаборации MeerKLASS.

«Этот результат особенно ценен, потому что он является кульминацией пути, начавшегося более десяти лет назад, когда я поступил в аспирантуру в Портсмуте. Сейчас мне посчастливилось быть частью гораздо более широкого международного сотрудничества, разделяющего эту общую цель. Многие из задач, рассматриваемых в этой работе, повлияли на мою собственную научную карьеру, поэтому видеть, как наша команда добивается этого результата, — это замечательная веха», - сказал он.

Эта информация может быть использована для уточнения наиболее актуальных космологических измерений, стоящих перед учеными сегодня. К ним относятся скорость расширения космоса (постоянная Хаббла-Леметра), влияние темной энергии и распределение темной материи. Об этом заявил профессор Марио Сантос, руководитель проекта MeerKLASS в Университете Западного Кейпа: «Это важная веха в становлении метода картирования интенсивности на длине волны 21 см как нового инструмента для космологии. Для этого измерения потребовалось десятилетие кропотливой работы исследователей из семи стран и трех континентов, многие из которых — молодые ученые, посвятившие всю свою карьеру этому проекту. Такой амбициозный результат требует постоянной и подлинной командной работы многих людей. И ничего из этого не существовало бы без Южноафриканской радиоастрономической обсерватории, которая построила и управляет MeerKAT и помогла решить многочисленные проблемы, возникавшие в ходе этого исследования. Это напоминание о том, что наука такого уровня — это масштабное совместное усилие».