Астрономы получили новый способ изучать крупномасштабную структуру Вселенной, напрямую измерив чрезвычайно слабое радиоизлучение нейтрального водорода на космологических расстояниях. Наблюдения выполнены с помощью южноафриканского радиоинтерферометра MeerKAT, а обнаруженный сигнал соответствует водороду, существовавшему в эпоху, когда Вселенная была значительно моложе современной.
Особенность результата заключается не только в самом обнаружении. Исследователи впервые на таких расстояниях получили сигнал так называемого картирования интенсивности нейтрального водорода без необходимости сопоставлять его с заранее известными оптическими галактиками. Это важный шаг к созданию трёхмерных карт распределения вещества в огромных объёмах космоса.
Метод позволяет отказаться от требования увидеть каждую галактику отдельно. Вместо этого астрономы измеряют суммарное радиоизлучение большого количества неразрешённых источников и по его пространственным изменениям восстанавливают распределение нейтрального водорода. В перспективе такой подход может существенно расширить возможности исследований крупномасштабной структуры Вселенной и космологии.
Нейтральный водород становится новым инструментом космологии
Водород является самым распространённым элементом во Вселенной и играет важную роль в формировании галактик. Однако наблюдать его на больших расстояниях непосредственно очень сложно. Одним из наиболее ценных инструментов для этой задачи является характерное радиоизлучение нейтрального водорода на длине волны около 21 сантиметра.
Почему астрономы наблюдают именно нейтральный водород
Атом нейтрального водорода может испускать радиоизлучение с длиной волны 21 сантиметр. Этот сигнал крайне слаб, но он имеет принципиальное преимущество: водород присутствует практически повсюду в галактической среде и не ограничивается только яркими областями звездообразования.
При наблюдении далёкой Вселенной исходная длина волны излучения увеличивается из-за расширения пространства. Поэтому один и тот же переход нейтрального водорода наблюдается на разных радиочастотах в зависимости от того, насколько далеко находится излучивший его газ и в какую эпоху космической истории он существовал.
Таким образом, частота радиоизлучения становится своеобразным указателем времени. Измеряя сигнал на разных частотах, исследователи могут разделять данные по различным эпохам и получать информацию о распределении водорода в трёх измерениях.
Почему сигнал настолько трудно обнаружить
Проблема заключается в огромной разнице между слабостью космологического сигнала и яркостью других радиоисточников.
В наблюдаемой области неба присутствуют радиоизлучающие галактики, компактные источники и различные фоновые сигналы. Их излучение значительно сильнее того сигнала от нейтрального водорода, который необходимо выделить.
Дополнительную проблему создают радиопомехи земного происхождения и особенности работы самого телескопа. Поэтому обнаружение требует сложной обработки данных и тщательного исключения загрязняющих сигналов.
На исходном радиоизображении исследуемый сигнал водорода фактически нельзя увидеть глазами. На нём доминируют гораздо более яркие радиоисточники, а космологический сигнал извлекается уже на этапе анализа данных.
Что такое картирование интенсивности водорода
Традиционная радиоастрономия часто стремится обнаружить отдельные галактики и определить их характеристики. Картирование интенсивности работает иначе.
Вместо поиска каждой галактики исследователи измеряют среднюю интенсивность радиоизлучения нейтрального водорода в различных участках неба и на различных частотах. Получается своего рода трёхмерная карта распределения газа.
Галактики можно не видеть по отдельности
Это принципиально меняет масштаб исследования. Если пытаться составить карту Вселенной исключительно по отдельным галактикам, необходимо обнаруживать огромное количество объектов, определять их положения и расстояния.
При картировании интенсивности отдельные галактики могут оставаться неразрешёнными. Их совокупный сигнал всё равно содержит информацию о распределении нейтрального водорода.
По сути, исследователи используют не отдельные «точки», а общий рисунок распределения газа. Там, где нейтрального водорода в среднем больше, сигнал сильнее; там, где его меньше, он слабее. Из множества таких измерений можно восстановить пространственные неоднородности вещества на больших масштабах.
От карты водорода к карте космической структуры
Распределение нейтрального водорода связано с распределением галактик и вещества в больших масштабах. Поэтому измерение его неоднородностей позволяет исследовать структуру Вселенной.
Речь идёт о масштабах в миллионы световых лет. Это сопоставимо с расстояниями между крупными галактиками и их ближайшими соседями.
Получаемая информация важна не только для изучения самого водорода. Распределение вещества на больших масштабах формировалось под действием гравитации и поэтому содержит сведения о развитии космической структуры на протяжении миллиардов лет.
MeerKAT получил сигнал из эпохи, когда Вселенная была моложе
Для нового измерения использовались наблюдения радиотелескопа MeerKAT, расположенного в Южной Африке. Исследователи проанализировали около 96 часов данных, полученных ещё в 2018 году, когда телескоп находился на ранней стадии научной эксплуатации.
Интересно, что эти данные первоначально собирались для другой научной задачи. Их повторный анализ показал, что архивные наблюдения могут использоваться для совершенно иных исследований, если применять к ним новые методы обработки.
Две космические эпохи в одном наборе наблюдений
Исследование охватило два значения красного смещения — примерно 0,32 и 0,44. Они соответствуют излучению, которое находилось в пути до Земли примерно четыре-пять миллиардов лет.
Иными словами, телескоп регистрировал не современное состояние этих областей Вселенной, а информацию о том, каким было распределение нейтрального водорода несколько миллиардов лет назад.
Это фундаментальное свойство астрономических наблюдений: чем дальше находится объект, тем более древний свет мы получаем. Поэтому карта далёкого водорода одновременно является картой Вселенной в прошлом.
Почему эти расстояния особенно важны
Исследования на таких красных смещениях позволяют изучать период космической истории, который значительно ближе к современной эпохе, чем самые ранние стадии формирования Вселенной, но всё ещё достаточно далёк во времени, чтобы увидеть существенные изменения в распределении вещества.
Полученные измерения охватывают пространственные масштабы порядка нескольких миллионов световых лет. Это позволяет исследовать не отдельные галактики, а структуру их распределения на больших расстояниях.
Главное достижение — независимое обнаружение сигнала
До этой работы измерения интенсивности нейтрального водорода на подобных расстояниях обычно требовали дополнительной информации от оптических обзоров галактик. Радиоданные сопоставлялись с уже известными положениями галактик, что позволяло выделить статистический сигнал.
Новая работа демонстрирует другой подход: сигнал удалось получить непосредственно из радиоданных MeerKAT.
Это важное различие. Речь не идёт о том, что астрономы впервые вообще обнаружили нейтральный водород во Вселенной. Нейтральный водород давно наблюдается в галактиках. Новизна состоит в прямом измерении его космологического распределения методом интенсивностного картирования на этих масштабах без необходимости опираться на перекрёстное сопоставление с оптическим каталогом галактик.
Сигнал удалось отделить от гораздо более сильного фона
Для получения результата исследователям пришлось учитывать несколько типов загрязнения.
Радиодиапазон содержит искусственные сигналы, которые могут попадать в данные из-за радиочастотных помех. Кроме того, существуют яркие астрофизические источники, излучение которых намного сильнее искомого сигнала нейтрального водорода.
Есть и инструментальные эффекты, связанные с особенностями интерферометрических измерений и обработки данных. Поэтому надёжность результата зависит не только от чувствительности телескопа, но и от того, насколько хорошо исследователям удаётся распознать и удалить посторонние компоненты.
В работе применялись два независимых подхода к подавлению систематических эффектов. Один был основан на консервативном исключении проблемных данных, другой — на выявлении загрязнений непосредственно при анализе мощности сигнала.
Насколько уверенным оказалось обнаружение
Исследователи получили статистически значимые измерения на обеих рассматриваемых эпохах.
При более консервативном подходе значимость обнаружения составила около 3,2 сигмы для красного смещения 0,32 и 3,5 сигмы для 0,44. При другом методе очистки данных она увеличилась примерно до 5,9 и 9,18 сигмы соответственно.
Такое различие показывает, насколько сильно результат зависит от обработки слабого сигнала и контроля систематических эффектов. При этом именно независимое воспроизведение сигнала двумя подходами усиливает значение полученного результата.
Важно, однако, не путать статистическую значимость с точностью всех физических параметров. Измерение показывает наличие космологического сигнала и позволяет исследовать его статистические свойства, но дальнейшее повышение точности потребует новых наблюдений и более масштабных обзоров.
Радиотелескоп позволяет изучать Вселенную не так, как оптические обзоры
Большинство привычных изображений далёкой Вселенной показывают отдельные галактики. Такие обзоры чрезвычайно информативны, но у метода есть естественное ограничение: чтобы использовать галактику в статистическом анализе, её сначала необходимо обнаружить.
Картирование интенсивности нейтрального водорода позволяет обойти эту проблему.
Один слабый сигнал заменяет миллионы отдельных объектов
Представим участок Вселенной, содержащий огромное количество галактик. Многие из них настолько слабы или удалены, что не могут быть надёжно идентифицированы по отдельности. Но их суммарное радиоизлучение всё равно может вносить вклад в общий сигнал.
В этом и заключается преимущество метода. Исследователям не обязательно знать положение каждой галактики. Им достаточно измерить статистическое распределение нейтрального водорода в выбранном объёме пространства.
При достаточно большой площади обзора такой подход становится особенно эффективным. Он позволяет сосредоточиться на крупномасштабной структуре, где индивидуальные свойства отдельных галактик уже не являются главным объектом исследования.
Но метод не заменяет традиционные наблюдения
У картирования интенсивности есть и ограничения. Полученная информация является статистической и не даёт подробной картины каждой отдельной галактики.
Поэтому новый метод не следует рассматривать как замену оптическим и инфракрасным обзорам. Скорее, это дополнительный способ изучения Вселенной, особенно полезный при исследовании очень больших объёмов пространства.
Сочетание разных методов может дать гораздо более полную картину: оптические наблюдения позволяют изучать отдельные галактики, а интенсивностное картирование — статистическое распределение газа на огромных масштабах.
Что можно узнать по распределению нейтрального водорода
Измеренный сигнал содержит больше информации, чем просто оценка количества газа.
Исследователи анализируют так называемый спектр мощности — статистическое описание того, насколько неоднородно вещество распределено на различных пространственных масштабах.
Неоднородности показывают структуру космоса
Вселенная на больших масштабах не является абсолютно однородной. Вещество образует сложную сеть областей повышенной и пониженной плотности, в которую входят галактики, группы и скопления галактик, а также огромные разреженные области.
Нейтральный водород участвует в этой структуре. Поэтому его пространственные неоднородности можно использовать для изучения того, как распределено вещество.
Именно статистические свойства этих неоднородностей исследователи смогли измерить в новом наблюдении. Это позволяет перейти от простого обнаружения слабого сигнала к количественному изучению крупномасштабной структуры.
Можно исследовать свойства галактического населения
Измерения также содержат информацию о распределении массы нейтрального водорода в галактиках и о связи этого газа с гало тёмной материи.
Авторы использовали полученные данные для ограничения параметров функции масс нейтрального водорода и модели распределения H I по гало. Иными словами, статистический сигнал позволяет получать сведения о том, где находится водород и как он связан с крупномасштабной структурой, сформированной гравитацией.
Почему результат важен для будущих исследований тёмной энергии
Крупномасштабная структура Вселенной является одним из основных инструментов современной космологии. По тому, как вещество распределено в пространстве и как эта структура менялась со временем, можно проверять космологические модели.
Картирование нейтрального водорода потенциально позволяет проводить такие исследования на очень больших объёмах пространства.
Большая карта означает больше космологической информации
При наблюдении отдельных галактик значительная часть усилий уходит на обнаружение и классификацию объектов. Интенсивностное картирование позволяет быстрее охватывать огромные области неба.
Это особенно важно для будущих обзоров, которым необходимо исследовать Вселенную в широком диапазоне расстояний и космических эпох.
Если удаётся измерять распределение водорода в разных временных срезах, можно сравнивать структуру Вселенной в разные моменты её истории и отслеживать её эволюцию. Именно поэтому метод рассматривается как перспективный инструмент для исследований космологии, включая вопросы, связанные с тёмной материей и тёмной энергией.
MeerKAT стал проверкой технологии перед более крупными проектами
MeerKAT рассматривается как предшественник будущего радиоинтерферометра SKA-Mid — одной из ключевых радиастрономических систем следующего поколения.
Поэтому нынешний результат имеет практическое значение. Он показывает, что интенсивностное картирование нейтрального водорода способно работать с реальными интерферометрическими данными и извлекать космологическую информацию из крайне слабого сигнала.
При дальнейшем увеличении чувствительности и площади обзора возможности метода должны существенно расшириться.
Архивные данные MeerKAT оказались ценнее первоначальной задачи
Отдельного внимания заслуживает возраст использованных наблюдений. Данные были собраны в 2018 году, когда MeerKAT только начинал научную работу.
Исследование показывает, что ценность астрономических наблюдений не заканчивается после решения первоначальной задачи. Улучшение методов обработки и появление новых научных вопросов позволяют возвращаться к архивам спустя годы и извлекать из них информацию, которая изначально не была целью наблюдений.
Для современной астрономии это особенно важно. Радиотелескопы создают огромные массивы данных, обработка которых требует значительных вычислительных ресурсов. По мере совершенствования алгоритмов старые наблюдения могут становиться основой новых исследований.
В данном случае архивные данные позволили проверить возможность прямого измерения космологического сигнала нейтрального водорода и продемонстрировать работоспособность метода на реальном наборе наблюдений.
Следующий шаг — превратить отдельные измерения в масштабную карту Вселенной
Нынешний результат является важным демонстрационным этапом, но не завершением программы. Для точной космологии необходимы гораздо большие объёмы данных и измерения на множестве различных красных смещений.
От двух эпох к непрерывной истории
Сейчас получены независимые измерения для двух диапазонов красного смещения. В будущем значительно более масштабные радионаблюдения смогут охватить гораздо более широкий диапазон расстояний.
Тогда можно будет строить последовательность трёхмерных карт нейтрального водорода, каждая из которых будет соответствовать определённому этапу развития Вселенной.
Сравнение таких карт позволит изучать, как менялось распределение газа, как формировались крупномасштабные структуры и как связаны между собой эволюция галактик и рост космической структуры.
SKA должен значительно расширить возможности метода
MeerKAT является частью более широкой программы развития радиоинтерферометрии. Полученный результат важен именно потому, что показывает практическую возможность интенсивностного картирования на реальных данных.
Следующее поколение инструментов сможет наблюдать большие площади неба с более высокой чувствительностью и получать значительно больше информации о нейтральном водороде.
Это создаст возможность использовать метод уже не только для отдельных демонстрационных измерений, но и для систематических космологических обзоров.
Новый способ увидеть крупномасштабную структуру Вселенной
Нейтральный водород сам по себе не является чем-то новым для астрономии. Новизна заключается в способе использования его слабого радиоизлучения.
Вместо того чтобы искать каждую галактику отдельно, астрономы могут измерять суммарный сигнал от огромного количества объектов и использовать его для восстановления статистической структуры вещества. MeerKAT показал, что такой сигнал можно непосредственно извлекать из радиоданных на космологических расстояниях.
Полученные данные относятся к водороду, излучение которого находилось в пути к Земле примерно четыре-пять миллиардов лет. Поэтому исследователи фактически получили возможность изучать распределение газа в прошлом, а не только его современное состояние.
Главный результат работы заключается в демонстрации того, что интенсивностное картирование нейтрального водорода может стать самостоятельным инструментом космологии. Метод позволяет исследовать структуру Вселенной на масштабах в миллионы световых лет и получать сведения о распределении газа, свойствах галактик и гало тёмной материи.
В дальнейшем более чувствительные радиотелескопы и масштабные обзоры смогут превратить отдельные измерения в обширные трёхмерные карты. Такие наблюдения дадут ещё один способ проследить, как из ранних неоднородностей сформировалась наблюдаемая сегодня крупномасштабная структура Вселенной и как она продолжала изменяться на протяжении миллиардов лет.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
Как по мне отличная новость, которая дает надежду найти внеземную жизнь в космосе. По больше таких.