Астрономы смогли напрямую зарегистрировать чрезвычайно слабое радиоизлучение нейтрального водорода, пришедшее к Земле из далёкой Вселенной после путешествия длиной примерно от четырёх до пяти миллиардов лет. Это достижение открывает новые возможности для изучения крупномасштабной структуры космоса и создания трёхмерных карт распределения вещества на огромных расстояниях.
Наблюдения были выполнены с помощью радиотелескопа MeerKAT, расположенного в Южной Африке. Учёным удалось обнаружить сигнал, который раньше на подобных расстояниях обычно приходилось подтверждать или выделять при помощи дополнительных данных оптических обзоров галактик. На этот раз исследователи получили результат, используя радионаблюдения.
Главная ценность нового достижения заключается не только в регистрации далёкого водорода. Оно показывает, что метод картирования интенсивности излучения нейтрального водорода постепенно становится практическим инструментом космологии. В будущем он может позволить исследовать огромные объёмы Вселенной значительно эффективнее, чем традиционные методы, основанные на наблюдении отдельных галактик.
Почему водород может помочь создать карту Вселенной
Водород является самым лёгким и самым распространённым химическим элементом во Вселенной. Значительная часть космического вещества содержит водород, поэтому его распределение способно рассказать о том, как организована материя в пространстве.
Однако астрономам важно не просто обнаружить отдельное облако газа или отдельную галактику. Для изучения эволюции Вселенной необходимо понимать, как вещество распределяется на колоссальных масштабах — на расстояниях в миллионы и даже миллиарды световых лет.
Именно для этого используется метод, получивший название картирования интенсивности излучения водорода.
Не нужно искать каждую галактику отдельно
Традиционные астрономические обзоры часто строятся на наблюдении огромного количества отдельных галактик. Телескоп должен зарегистрировать объект, определить его положение и, если возможно, измерить расстояние до него. После этого данные множества галактик объединяются в общую картину распределения вещества.
Картирование интенсивности работает иначе. Вместо того чтобы различать каждую отдельную галактику, исследователи измеряют суммарное радиоизлучение водорода, поступающее из определённого участка пространства.
В одном направлении телескоп может получать сигнал сразу от множества объектов, которые невозможно разделить по отдельности. Но вместе они создают измеримое распределение радиоизлучения. Анализируя его интенсивность в разных направлениях и на разных расстояниях, можно постепенно восстановить трёхмерную структуру огромного участка Вселенной.
Такой подход особенно важен для изучения далёкого космоса, где отдельные галактики становятся слишком слабыми для эффективного массового наблюдения.
Особый сигнал нейтрального водорода
Основой метода является естественное радиоизлучение нейтрального водорода, известное как линия с длиной волны 21 сантиметр.
Нейтральным называют атомарный водород, атомы которого не лишены своих электронов. Такой газ широко распространён в космическом пространстве и способен испускать характерное радиоизлучение.
Для астрономии эта особенность чрезвычайно полезна. Радиосигнал водорода имеет хорошо известные свойства, поэтому его можно использовать как своеобразный ориентир для изучения удалённых областей космоса.
Как расширение Вселенной помогает заглянуть в прошлое
Вселенная расширяется, и это влияет на свет и радиоволны, распространяющиеся через космическое пространство. По мере расширения пространства длина волны излучения увеличивается.
Это явление называют красным смещением. Для астрономов оно позволяет определить, насколько далёким является источник и из какой эпохи космической истории пришёл наблюдаемый сигнал.
Чем дольше излучение путешествовало по расширяющейся Вселенной, тем сильнее изменяются его наблюдаемые характеристики. Благодаря этому радиоизлучение нейтрального водорода можно использовать не только для определения положения вещества на небе, но и для восстановления его распределения по расстоянию.
Именно сочетание этих данных позволяет создавать трёхмерную картину космоса.
Сигнал, который летел к Земле миллиарды лет
В новом исследовании учёные проанализировали около 96 часов наблюдений MeerKAT. В полученных данных удалось обнаружить сигнал нейтрального водорода из двух различных периодов космической истории.
Зарегистрированное излучение путешествовало к Земле примерно четыре-пять миллиардов лет. Это означает, что телескоп наблюдал водород таким, каким он был в эпоху, когда Вселенная была на несколько миллиардов лет моложе современного возраста.
Полученные измерения позволяют прослеживать структуры вещества на масштабах в несколько миллионов световых лет. Это уже сопоставимо с расстояниями между крупными объектами в ближайшем космическом окружении нашей Галактики.
Почему такой сигнал чрезвычайно трудно обнаружить
Главная проблема заключается в том, что космическое излучение нейтрального водорода очень слабое. Радиотелескоп получает значительно более мощные сигналы от других источников.
В наблюдениях присутствует радиоизлучение нашей собственной Галактики, сигналы далёких радиоисточников и различные инструментальные эффекты. Кроме того, радионаблюдения могут осложняться искусственными радиопомехами, создаваемыми человеческой деятельностью.
Поэтому обнаружить нужный космологический сигнал недостаточно просто направить радиотелескоп в определённую область неба. Необходимо тщательно обрабатывать данные и отделять чрезвычайно слабое излучение водорода от значительно более яркого радиоизлучения переднего плана.
Именно способность выделить этот сигнал непосредственно из радионаблюдений стала важным результатом работы.
Что изменилось в исследованиях далёкого водорода
Ранее надёжные измерения подобного сигнала на больших расстояниях обычно требовали сочетания данных радиотелескопов с результатами оптических обзоров галактик.
Оптические наблюдения позволяли заранее определить расположение известных галактик и использовать эту информацию для подтверждения присутствия водородного сигнала в радиоданных.
Новый результат показывает, что радиоизлучение нейтрального водорода может быть непосредственно обнаружено при анализе данных MeerKAT без обязательного привлечения дополнительного оптического каталога для самой регистрации сигнала.
Это не означает, что оптические обзоры перестанут быть необходимыми для космологии. Разные методы наблюдений предоставляют различную информацию и могут дополнять друг друга. Однако самостоятельное обнаружение сигнала существенно расширяет возможности радиокосмологии.
Как устроен MeerKAT
MeerKAT представляет собой крупный радиотелескопический комплекс, состоящий из 64 антенн. Он расположен в Южной Африке и предназначен для исследований Вселенной в радиодиапазоне.
Отдельные антенны комплекса работают совместно. Объединение их данных позволяет получать значительно больше информации, чем при использовании одной радиотарелки.
Радиотелескоп способен изучать множество различных объектов и явлений — от источников радиоизлучения в нашей Галактике до удалённых галактик и крупномасштабной структуры Вселенной.
В данном случае его возможности позволили исследователям работать с чрезвычайно слабым суммарным излучением нейтрального водорода из далёких областей космоса.
От карты водорода к карте космической паутины
Крупномасштабная структура Вселенной не представляет собой равномерное распределение галактик. На огромных масштабах материя образует сложную сеть.
Галактики и скопления галактик располагаются вдоль протяжённых структур, между которыми находятся менее плотные области. Эту систему часто называют космической паутиной.
Распределение нейтрального водорода связано с распределением вещества и галактик. Поэтому наблюдение водородного излучения может предоставить ещё один способ изучения структуры этой гигантской сети.
Возможность исследовать огромные объёмы пространства
Одно из главных преимуществ картирования интенсивности заключается в скорости исследования больших областей космоса.
При традиционном обзоре необходимо обнаружить и измерить множество отдельных галактик. Это требует высокой чувствительности и значительного времени наблюдений.
Картирование интенсивности не требует получения подробного изображения каждой отдельной галактики. Вместо этого телескоп измеряет совокупный сигнал от большого количества источников.
Такой подход может сделать возможным изучение значительно больших объёмов пространства и создание карт крупномасштабной структуры на расстояниях, где массовое наблюдение отдельных галактик становится особенно сложным.
Трёхмерная картина разных эпох Вселенной
Наблюдения в разных диапазонах частот позволяют получать информацию о водороде, находившемся от Земли на разных расстояниях.
Поскольку более далёкое излучение приходит из более ранней эпохи космической истории, карта водорода может одновременно стать своеобразной картой эволюции Вселенной во времени.
Учёные смогут сравнивать распределение вещества в различных эпохах и изучать, как менялись крупномасштабные структуры на протяжении миллиардов лет.
Это делает метод особенно перспективным для космологических исследований.
Что можно узнать о галактиках и эволюции Вселенной
Наблюдение нейтрального водорода способно дать информацию сразу о нескольких фундаментальных процессах.
Прежде всего, водород связан с галактиками и межгалактическим веществом. Его распределение помогает изучать среду, в которой существуют и развиваются галактики.
Крупномасштабные карты также позволяют исследовать, как под действием гравитации формировались и изменялись структуры космической паутины.
Роль тёмной материи
Тёмная материя непосредственно не наблюдается в телескопы, поскольку не испускает и не отражает свет обычным способом. Однако её гравитация влияет на движение и распределение обычного вещества.
Структура космической паутины во многом формировалась под воздействием гравитационных областей, связанных с тёмной материей. Поэтому подробные карты распределения обычного вещества могут помочь проверить модели формирования крупномасштабных структур.
Водородное картирование не означает прямого наблюдения тёмной материи. Но оно может предоставить дополнительные данные о том, как её гравитационное влияние проявляется в структуре наблюдаемой Вселенной.
Изучение расширения космоса
Крупномасштабная структура Вселенной также связана с историей её расширения.
Измеряя распределение вещества в разные эпохи, космологи получают возможность сравнивать наблюдаемую эволюцию Вселенной с теоретическими моделями.
Такие исследования имеют значение и для изучения тёмной энергии — названия, которым обозначают неизвестную причину ускоренного расширения Вселенной.
Новый результат сам по себе не раскрывает природу тёмной энергии. Его значение заключается в демонстрации метода, который в будущем может обеспечить новые массивы данных для космологических исследований.
Почему будущие радиотелескопы могут получить особенно важный инструмент
Успешное обнаружение слабого сигнала подтверждает перспективность метода перед созданием и расширением более мощных радионаблюдательных систем.
Особенно важным направлением является развитие Square Kilometre Array Observatory — международной радиотелескопической инфраструктуры, которая должна значительно расширить возможности исследований Вселенной в радиодиапазоне.
MeerKAT рассматривается как один из важных предшественников будущих наблюдений SKA-Mid.
Что потребуется для создания более подробных карт
Новый результат является важной демонстрацией возможностей метода, но для построения значительно более подробных космологических карт необходимы дальнейшие наблюдения.
Более длительное время накопления данных позволит повысить чувствительность. Наблюдение больших участков неба даст возможность исследовать значительно большие объёмы пространства.
Не менее важной задачей останется борьба с систематическими ошибками, радиопомехами и ярким излучением переднего плана. Чем слабее изучаемый космологический сигнал, тем выше требования к обработке данных и контролю работы приборов.
Именно сочетание более мощных телескопов, длительных наблюдений и совершенствования методов анализа должно определить дальнейшее развитие водородного картирования.
Водород становится новым инструментом для изучения космоса
Регистрация чрезвычайно слабого сигнала, пришедшего из эпохи, удалённой от нас на четыре-пять миллиардов лет, показывает, что радиотелескопы способны получать информацию о распределении вещества на совершенно иных масштабах, чем при наблюдении отдельных небесных объектов.
Главное достижение заключается в прямом обнаружении сигнала картирования интенсивности нейтрального водорода только по радиоданным. Это подтверждает, что метод может стать полноценным инструментом для изучения крупномасштабной структуры Вселенной.
В перспективе такие наблюдения могут помочь создавать всё более обширные трёхмерные карты космоса, прослеживать эволюцию галактик и космической паутины, а также получать новые данные о том, как менялась Вселенная на протяжении миллиардов лет.
Самый распространённый элемент космоса оказался не только строительным материалом звёзд и галактик, но и потенциальным инструментом для создания одной из самых масштабных карт Вселенной, которые когда-либо смогут построить астрономы.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
