Новые сведения о том, какими были (и не были) первые галактики в нашей Вселенной

Хотя мы пока не можем непосредственно наблюдать первые звезды и галактики в ранней Вселенной, новое исследование группы ученых из Кембриджского университета сделало важный шаг в этом направлении.

Используя данные индийского радиотелескопа SARAS3, исследователи смогли наблюдать раннюю Вселенную всего через 200 миллионов лет после Большого взрыва. Не найдя искомого сигнала, известного как «водородная линия 21 см», они смогли установить важные ограничения на массу и энергию первых источников света в космосе. Это одно из первых прямых астрофизических исследований периода формирования первых звезд и галактик, известного как космический рассвет.

Какова линия водорода на расстоянии 21 см?

Понимание ранней Вселенной — одна из главных целей новых наземных и космических обсерваторий, которые сейчас разрабатываются. Для современных телескопов задача состоит в том, чтобы обнаружить космологический сигнал первых звезд, окруженных плотными водородными облаками: так называемую водородную линию 21 см.

Это спектральная линия, присутствующая в электромагнитных спектрах источников космического излучения, вызванная изменением энергии межзвездного нейтрального водорода. Оно происходит на частоте 1420,405 МГц (эквивалентно длине волны 21,10611405413 см). Это частота радиоволн, точнее микроволн, характерная для излучения, которое может проходить через межзвездную пыль, непрозрачную для видимого света.

Это радиосигнал, производимый атомами водорода в первозданной Вселенной. В отличие от «Джеймса Уэбба», который сможет напрямую фотографировать отдельные галактики в ранней Вселенной, изучение линии водорода на расстоянии 21 см с помощью радиотелескопов, таких как REACH (Радиоэксперимент по анализу космического водорода) под руководством Кембриджа, может рассказать нам о целых популяциях еще более древних галактик. Первые результаты REACH ожидаются в начале 2023 года.

Пропущенный сигнал

Чтобы обнаружить 21-сантиметровую линию, астрономы ищут радиосигнал, производимый атомами водорода в ранней Вселенной. Оказалось, что на это влияет как свет первых звезд, так и излучение за водородным «туманом».

В 2018 году исследовательская группа, работающая с экспериментом EDGES, опубликовала результат, намекающий на возможное обнаружение этого «первого света». Полученный сигнал оказался необычайно сильным по сравнению с тем, что ожидается в более простой астрофизической картине ранней Вселенной.

В этом новом анализе данных SARAS3 команда Кембриджа проверила ряд астрофизических сценариев, которые могли бы объяснить результат EDGES. В сотрудничестве с учеными из Индии, Австралии и Израиля команда использовала данные SARAS3 для поиска признаков космического рассвета, также используя методы статистического моделирования. Однако он не нашел соответствующего сигнала.

Таким образом, результаты противоречат предыдущему обнаружению: результат EDGES теперь ожидает подтверждения независимыми наблюдениями. Однако Гарри Бевинс, аспирант Кавендишской лаборатории в Кембридже и ведущий автор работы, отметил: «Не найдя этот сигнал, мы можем установить предел его глубины. Это, в свою очередь, сообщает нам, насколько яркими были самые ранние галактики».

Ранние галактики не были эффективными производителями радиоизлучения

Невозможность обнаружить водород на расстоянии 21 см позволила исследователям установить пределы того, какими были или не были ранние галактики. Наблюдательное исследование, первое в своем роде во многих отношениях, исключает сценарии, в которых были первые галактики:

• Более чем в тысячу раз ярче современных галактик в их радиодиапазоне, поэтому они являются эффективными производителями радиоизлучения.
• Неэффективные нагреватели газообразного водорода.

Новые данные также показывают то, на что раньше только намекали: первые звезды и галактики, возможно, внесли заметный вклад в фоновое излучение, которое появилось в результате Большого взрыва и с тех пор движется к нам. В настоящее время исследователи устанавливают предел этого вклада. Касаясь всего исследования, Анастасия Фиалкова из Кембриджского института астрономии сказала:

Наш анализ показал, что сигнал водорода может информировать нас о населении первых звезд и галактик. Наш анализ накладывает ограничения на некоторые ключевые свойства первых источников света, включая массы первых галактик и эффективность, с которой эти галактики могут образовывать звезды. Мы также рассматриваем вопрос об эффективности, с которой эти источники излучают рентгеновские, радио- и ультрафиолетовые лучи.

Ученые уверены. Проект SKA (Square Kilometre Array), включающий два телескопа нового поколения, который будет завершен к концу десятилетия, возможно, сможет сделать настоящие снимки ранней Вселенной. Благодаря этому новому проекту «Джеймс Уэбб» и его преемникам история ранней Вселенной может быть раскрыта раньше, чем мы предполагаем.