Раскрытие секретов Вселенной

Мар 01, 2018 Леонид Гляделов

Новости астрономии:
Давным-давно, около 400 000 лет после начала Вселенной (Большой взрыв), вселенная была темной. Не было звезд или галактик, и вселенная была заполнена главным образом нейтральным газообразным водородом.

Затем, в течение следующих 50-100 миллионов лет, гравитация медленно вытягивала самые плотные области газа, пока в конечном счете газ не собрался в некоторых местах, чтобы образовать первые звезды.

Подробнее:

Какими были эти первые звезды, как и когда они формировались? Как они повлияли на остальную вселенную ? Это вопросы, на которые давно ищут ответ астрономы и астрофизики.

Теперь, после 12 лет экспериментов, группа ученых, возглавляемая Джаддом Боуменом, обнаружила отпечатки пальцев самых ранних звезд во Вселенной. Используя радиосигналы, обнаружение является первым свидетельством для самых старых предков нашего космического генеалогического древа, рожденного всего через 180 миллионов лет после начала Вселенной.

«Это был большой технический вызов, так как источники шума могут быть в тысячу раз ярче самого сигнала - это похоже на то, чкак в середине урагана пытаться услышать шелест крыла колибри». говорит Питер Курчинский, сотрудник программы Национального научного фонда, который поддержал это исследование. «Эти исследователи с небольшой радиоантенной в пустыне видели дальше, чем самые мощные космические телескопы, открывая новое окно к ранней вселенной».

Радиоастрономия

Чтобы найти эти отпечатки, команда Боумена использовала наземный инструмент под названием радиоспектрометр, расположенный в австралийской национальной научной службе (CSIRO) Мерчисонской радиоастрономической обсерватории (MRO) в Западной Австралии. В своем эксперименте по обнаружению команда измерила средний радиоспектр всех астрономических сигналов, полученных на большей части южного полушария, и искали небольшие изменения мощности в зависимости от длины волны (или частоты).

Поскольку радиоволны поступают в наземную антенну, они усиливаются приемником, а затем оцифровываются и записываются компьютером, подобно тому, как работают FM-приемники и телевизионные приемники. Разница в том, что прибор очень точно откалиброван и рассчитан на максимально равномерное использование на многих радиоволнах.

Сигналы, обнаруженные радиоспектрометром в этом исследовании, исходили из первичного водородного газа, который заполнил юную Вселенную и существовал между всеми звездами и галактиками. Эти сигналы содержат множество информации, которая открывает новые данные о том, как сформировались и эволюционировали ранние звезды, а затем черные дыры и галактики.

Это обнаружение подчеркивает исключительную радиошумность MRO, особенно поскольку функция, обнаруженная EDGES, перекрывает частотный диапазон, используемый FM-радиостанциями. Австралийское национальное законодательство ограничивает использование радиопередатчиков в радиусе 161,5 миль (260 км) от места, что существенно снижает помехи, которые в противном случае могли бы заглушить чувствительные наблюдения за астрономией.

Результаты этого исследования были недавно опубликованы в Nature Боуменом, с соавторами Аланом Роджерсом из Обсерватории Haystack Массачусетского технологического института, Раулем Монсальве из Университета Колорадо, Томасом Моззеном и Ниведитой Махешем также из Школы Земли АГУ и Исследование космического пространства.

Неожиданные результаты

Результаты этого эксперимента подтверждают общие теоретические ожидания того, когда сформировались первые звезды и основные свойства ранних звезд.

«То, что происходит в этот период, - говорит соавтор Роджерс из Обсерватории Haystack Массачусетского технологического института, - заключается в том, что часть излучения первых звезд начинает позволять видеть водород. Это приводит к тому, что водород начинает поглощать фоновое излучение, поэтому вы начинаете видеть его в силуэте, на определенных радиочастотах. Это первый реальный сигнал о том, что звезды начинают формироваться и начинают влиять на среду вокруг них».

Команда первоначально настроила свой инструмент, чтобы посмотреть не так глубоко в космическое время, но в 2015 году решила расширить свой поиск. «Как только мы переключили нашу систему на этот более низкий диапазон, мы начали видеть то, что, по нашему мнению, могло бы стать настоящей подписью», - говорит Роджерс. «Мы видим, что это падение наиболее сильно составляет около 78 мегагерц, и эта частота соответствует примерно 180 миллионам лет после Большого взрыва», - говорит Роджерс. «Что касается прямого обнаружения сигнала от самого газообразного водорода, это должно быть самое раннее».

Исследование также показало, что газ во Вселенной был, вероятно, намного холоднее, чем ожидалось (менее половины ожидаемой температуры). Это говорит о том, что либо теоретические усилия астрофизиков упускают из виду что-то существенное, либо это может быть первым доказательством нестандартной физики: в частности, что барионы (нормальная материя), возможно, взаимодействовали с темной материей и медленно теряли энергию для темной материи в раннем Вселенная, концепция, которая первоначально была предложена Реннаном Барканой из Тель-Авивского университета.

«Если идея Барканы подтвердится, - говорит Боуман, - тогда мы узнали что-то новое и фундаментальное в отношении таинственной темной материи, которая составляет 85 процентов материи во вселенной, обеспечивая первый взгляд на физику за пределами стандартной модели».

Боумен также хотел бы ускорить усилия по созданию новых радиотелескопов, таких как водородная эпоха реионизационного массива (HERA) и длинный длинноволновый массив долины Owens (OVRO-LWA).

Антенны и части приемника, используемые в этом эксперименте, были спроектированы и построены Роджерсом и командой обсерватории Массачусетского технологического института. Команда ASU и Monsalve добавили автоматическую систему измерения отражения антенны к приемнику, оснастили контрольную пост электроникой, построили плоскость заземления и провели полевые работы для проекта. Текущая версия EDGES является результатом многолетней проектной итерации и постоянного подробного технического уточнения калибровочного инструментария для достижения уровня точности, необходимого для успешного достижения этого трудного измерения.

«Теперь, когда мы знаем, что этот сигнал существует, - говорит Боумен, - нам нужно быстро создать новые радиотелескопы, которые смогут развить сигнал гораздо глубже».