Давным-давно, за миллионы лет до того, как зародилась первая звезда, вся вселенная была морем тьмы.
Начиная примерно через 400 000 лет после Большого взрыва и продолжаясь сотни миллионов лет, этот так называемый темный век вселенной ознаменовал последний раз, когда пустое пространство действительно было пустым; нет планет, нет солнца, нет галактик, нет жизни - только туман атомов водорода, созданных Большим взрывом и оставленных в темноте сквозь воду.
Сегодня телескопы по всему миру пытаются мельком увидеть этот первичный водород (известный как нейтральный водород), чтобы точно определить момент, когда темные века наконец закончились и образовались первые галактики. Хотя эти древние атомы остаются неуловимыми, команда исследователей в австралийской глубинке, возможно, приблизилась к их обнаружению, как никогда раньше.
Согласно новому исследованию, опубликованному в базе данных препринтов arXiv и вскоре появившемся в Astrophysical Journal, астрономы использовали радиотелескоп Murchison Widefield Array (MWA), чтобы заглянуть глубоко в космическое прошлое в поисках длины волны сигнатуры нейтрального водорода. Они не нашли то, что искали - однако, используя новые настройки в недавно обновленном массиве телескопа, команда определила самый низкий предел для уровня сигнала нейтрального водорода.
«Мы можем с уверенностью сказать, что если бы сигнал нейтрального водорода был сильнее, чем предел, установленный в статье, то телескоп его бы обнаружил», - сказал соавтор исследования Джонатан Побер, доцент кафедры физики в Университете Брауна в Род-Айленд. Это означает, что охота на эти древние молекулы все еще продолжается, и теперь исследователи знают, что следы нейтрального водорода еще слабее, чем предполагалось.
Первые атомы
Энергия, текущая через раннюю вселенную, была настолько сильной, что у каждого атома отрывались его электроны, давая им положительный заряд. Первым из этих атомов был положительно заряженный ион водорода. За сотни тысяч лет Вселенная охладилась и расширилась настолько, что эти ионы водорода смогли вернуть свои электроны и снова стали нейтральными. Эти нейтральные атомы водорода, как полагают, являются доминирующей чертой космического темного века. (В конце концов, когда достаточно их скопилось вместе, чтобы сформировать первые звезды, атомы снова были ионизированы энергией, излучаемой этими звездами.)
Ученые знают, что нейтральный водород испускает излучение на длине волны 21 сантиметра - однако, поскольку вселенная расширилась за прошлые 12 миллиардов лет, эти длины волны также расширились. Авторы нового исследования оценили, что длина волны нейтрального водорода растянулась примерно до 2 метров - и это сигнал, который они искали в небе для использования MWA.
Проблема в том, что существует множество источников (как искусственных, так и небесных), излучающих на одной и той же длине волны.
«Все эти другие источники на много порядков сильнее сигнала, который мы пытаемся обнаружить», - сказал Побер. «Даже радиосигнала FM, который отражается от самолета, который проходит над телескопом, достаточно, чтобы загрязнить данные».
Итак, Побер и его коллеги написали набор уравнений, чтобы идентифицировать и отсеять эти загрязнители в своих наблюдениях. Сделав более 1200 снимков неба с помощью радиоволн, исследователи определили, что каждый найденный ими след 2-метрового излучения исходит не из искомого нейтрального водорода, который они искали.
В то время как ценный атомный сигнал остается нераскрытым, новое исследование преуспевает в том, чтобы сузить, как должны выглядеть будущие поиски нейтрального водорода. По словам исследователей, эти результаты убедительно доказывают, что эксперименты MWA ведут эту охоту по правильному пути. С дальнейшими исследованиями последние реликвии космического темного века могли скоро быть обнаружены.
