Newswise — Группа из 350 радиотелескопов в пустыне Кару в Южной Африке приближается к обнаружению «космического рассвета» — эпохи после Большого взрыва, когда впервые зажглись звезды и начали расцветать галактики.
В бумага принято к публикации в Астрофизический журналводородная эпоха массива реионизации (ГЕРА) сообщает, что она удвоила чувствительность массива, который уже был самым чувствительным радиотелескопом в мире, предназначенным для изучения этого уникального периода в истории Вселенной.
Хотя им еще предстоит обнаружить радиоизлучение конца космических темных веков, их результаты действительно дают ключ к пониманию состава звезд и галактик в ранней Вселенной. В частности, их данные предполагают, что ранние галактики содержали очень мало элементов, помимо водорода и гелия, в отличие от наших сегодняшних галактик.
Когда радиотарелки будут полностью подключены к сети и откалиброваны, в идеале этой осенью, команда надеется построить трехмерную карту пузырьков ионизированного и нейтрального водорода по мере их эволюции примерно от 200 миллионов лет назад до примерно 1 миллиарда лет после Большого взрыва. Карта могла бы рассказать нам, чем ранние звезды и галактики отличались от тех, что мы видим вокруг нас сегодня, и как выглядела Вселенная в целом в ее юности.
«Это движение к потенциально революционной технике в космологии. Как только вы сможете перейти к нужной вам чувствительности, в данных будет так много информации», — сказал Джошуа Диллон, научный сотрудник Калифорнийского университета, факультет астрономии Беркли и ведущий автор статьи. «Трехмерная карта большей части светящейся материи во Вселенной — это цель на ближайшие 50 или более лет».
Другие телескопы также изучают раннюю Вселенную. Новый космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) получил изображение галактики, которая существовала примерно через 325 миллионов лет после рождения Вселенной в результате Большого взрыва. Но JWST может видеть только самые яркие из галактик, сформировавшихся в Эпоху реионизации, а не меньшие, а гораздо более многочисленные карликовые галактики, чьи звезды нагревали межгалактическую среду и ионизировали большую часть газообразного водорода.
HERA стремится обнаружить излучение нейтрального водорода, заполнявшего пространство между этими ранними звездами и галактиками, и, в частности, определить, когда этот водород перестал излучать или поглощать радиоволны, потому что стал ионизированным.
Тот факт, что команда HERA еще не обнаружила эти пузырьки ионизированного водорода в холодном водороде темных веков космоса, исключает некоторые теории эволюции звезд в ранней Вселенной.
В частности, данные показывают, что самые ранние звезды, которые могли образоваться примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва, содержали мало других элементов, кроме водорода и гелия. Это отличается от состава сегодняшних звезд, которые содержат множество так называемых металлов, астрономический термин для элементов, от лития до урана, которые тяжелее гелия. Это открытие согласуется с существующей моделью того, как звезды и звездные взрывы произвели большинство других элементов.
«Ранние галактики должны были значительно отличаться от галактик, которые мы наблюдаем сегодня, чтобы мы не увидели сигнал», — сказал Аарон Парсонс, главный исследователь HERA и адъюнкт-профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли. «В частности, должны были измениться их рентгеновские характеристики. В противном случае мы бы обнаружили искомый сигнал».
Атомный состав звезд в ранней Вселенной определял, сколько времени требовалось для нагрева межгалактической среды после того, как звезды начали формироваться. Ключом к этому является высокоэнергетическое излучение, в первую очередь рентгеновское излучение, производимое двойными звездами, где одна из них коллапсировала в черную дыру или нейтронную звезду и постепенно пожирает своего компаньона. С небольшим количеством тяжелых элементов большая часть массы компаньона сдувается, а не падает на черную дыру, что означает меньшее количество рентгеновских лучей и меньший нагрев окружающей области.
Новые данные соответствуют наиболее популярным теориям о том, как звезды и галактики впервые образовались после Большого взрыва, но не другим. Предварительные результаты из первого анализа данных HERA, опубликованного год назад, намекнули, что эти альтернативы — в частности, холодная реионизация — маловероятны.
«Наши результаты требуют, чтобы даже до реионизации и спустя 450 миллионов лет после Большого взрыва газ между галактиками был нагрет рентгеновскими лучами. Скорее всего, они произошли из двойных систем, в которых одна звезда теряет массу из-за черной дыры-компаньона», — сказал Диллон. «Наши результаты показывают, что если это так, то эти звезды должны были иметь очень низкую «металличность», то есть очень мало элементов, кроме водорода и гелия, по сравнению с нашим Солнцем, что имеет смысл, поскольку мы говорим о периоде в время во Вселенной до того, как сформировалось большинство других элементов».
Эпоха реионизации
Возникновение Вселенной в результате Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад породило горячий котел энергии и элементарных частиц, который охлаждался в течение сотен тысяч лет, прежде чем протоны и электроны объединились в атомы — прежде всего водород и гелий. Глядя на небо в чувствительные телескопы, астрономы подробно нанесли на карту слабые колебания температуры с этого момента — так называемого космического микроволнового фона — всего через 380 000 лет после Большого взрыва.
Однако, если не считать этого реликтового теплового излучения, ранняя Вселенная была темной. По мере того, как Вселенная расширялась, комковатость материи посеяла галактики и звезды, которые, в свою очередь, производили излучение — ультрафиолетовое и рентгеновское — которое нагревало газ между звездами. В какой-то момент водород начал ионизироваться — он потерял свой электрон — и образовал пузырьки внутри нейтрального водорода, отметив начало Эпохи реионизации.
Чтобы отобразить эти пузырьки, HERA и несколько других экспериментов фокусируются на длине волны света, которую нейтральный водород поглощает и излучает, а ионизированный водород — нет. Названная 21-сантиметровой линией (частота 1420 мегагерц), она возникает в результате сверхтонкого перехода, во время которого спины электрона и протона переключаются с параллельных на антипараллельные. Ионизированный водород, потерявший свой единственный электрон, не поглощает и не излучает эту радиочастоту.
Начиная с Эпохи реионизации, 21-сантиметровая линия была смещена в красную сторону расширением Вселенной до длины волны в 10 раз больше — около 2 метров или 6 футов. Довольно простые антенны HERA, представляющие собой конструкцию из проволочной сетки, трубы из ПВХ и телефонных столбов, имеют диаметр 14 метров, чтобы собирать и фокусировать это излучение на детекторах.
«На длине волны в два метра сетка из проволочной сетки — это зеркало», — сказал Диллон. «И все сложные вещи, так сказать, находятся в серверной части суперкомпьютера и во всем последующем анализе данных».
Новый анализ основан на 94 ночах наблюдений в 2017 и 2018 годах с использованием около 40 антенн — фазы 1 решетки. Предварительный анализ прошлого года был основан на 18 ночах наблюдений фазы 1.
Основной результат новой статьи заключается в том, что команда HERA улучшила чувствительность массива в 2,1 раза для света, излучаемого примерно через 650 миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение или увеличение длины волны в 7,9), и в 2,6 раза для света. излучение, испущенное примерно через 450 миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение 10,4).
Команда HERA продолжает улучшать калибровку телескопа и анализ данных в надежде увидеть эти пузыри в ранней Вселенной, интенсивность которых составляет примерно 1 миллионную интенсивность радиошума в окрестностях Земли. Отфильтровать местный радиошум, чтобы увидеть излучение ранней Вселенной, было непросто.
«Если это швейцарский сыр, то галактики делают дыры, и мы ищем сыр», — пока безуспешно говорит Дэвид Дебур, астроном-исследователь из Радиоастрономической лаборатории Калифорнийского университета в Беркли.
Однако, продолжая эту аналогию, Диллон отметил: «Что мы сделали, так это сказали, что сыр должен быть теплее, чем если бы ничего не произошло. Оказывается, если бы сыр был действительно холодным, было бы легче наблюдать эту пятнистость, чем если бы сыр был теплым».
Это в основном исключает теорию холодной реионизации, которая постулировала более холодную отправную точку. Вместо этого исследователи HERA подозревают, что рентгеновские лучи от рентгеновских двойных звезд сначала нагрели межгалактическую среду.
«Рентгеновские лучи эффективно нагревают весь кусок сыра до того, как сформируются отверстия», — сказал Диллон. «И эти дыры — ионизированные биты».
«HERA продолжает совершенствоваться и устанавливать все лучшие и лучшие ограничения», — сказал Парсонс. «Тот факт, что мы можем продолжать продвигаться вперед, и у нас есть новые методы, которые продолжают приносить плоды для нашего телескопа, — это здорово».
Сотрудничество HERA возглавляет Калифорнийский университет в Беркли и включает ученых со всей Северной Америки, Европы и Южной Африки. Строительство массива финансируется Национальным научным фондом и Фондом Гордона и Бетти Мур при ключевой поддержке правительства Южной Африки и Южноафриканской радиоастрономической обсерватории (SARAO).
