Ученые медленно приближаются к космическому рассвету

Ученые медленно приближаются к космическому рассвету

Исследователи представляют первый анализ данных из новой конфигурации MWA, специально предназначенной для поиска сигнала нейтрального водорода, газа, который доминировал во вселенной во время космического темного века. Анализ устанавливает новый предел — самый низкий предел — для силы сигнала нейтрального водорода.

«Мы можем с уверенностью сказать, что если бы сигнал нейтрального водорода был сильнее, чем предел, который мы установили, то телескоп его бы обнаружил», — сказал Джонатан Побер, доцент кафедры физики в Университете Брауна. «Эти находки могут помочь нам еще точнее узнать время окончания космического темного века и появления первых звезд».

Исследование было проведено Веньянг Ли, который выполнял работу в качестве кандидата наук. Ли и Побер сотрудничали с международной группой исследователей, работающих с MWA.

Несмотря на его важность в космической истории, мало известно о периоде образования первых звезд, который известен как Эпоха реионизации (EoR). Первыми атомами, которые образовались после Большого взрыва, были положительно заряженные ионы водорода — атомы, электроны которых были оторваны энергией новорожденной вселенной. По мере охлаждения и расширения Вселенной атомы водорода воссоединяются со своими электронами, образуя нейтральный водород. И это почти все, что было во вселенной до 12 миллиардов лет назад, когда атомы начали собираться вместе, образуя звезды и галактики. Свет от этих объектов повторно ионизировал нейтральный водород, заставляя его в значительной степени исчезать из межзвездного пространства.

Цель таких проектов, как тот, что происходит в MWA, — найти сигнал о нейтральном водороде из темных веков и измерить, как он изменился по мере развертывания EoR. Это может открыть новую и важную информацию о первых звездах — строительных блоках вселенной, которые мы видим сегодня. Но уловить любой проблеск этого старинного сигнала — трудная задача, требующая инструментов с исключительной чувствительностью.

Когда он начал работать в 2013 году, MWA представлял собой массив из 2048 радиоантенн, установленных в отдаленной сельской местности Западной Австралии. Антенны объединены в 128 «ячеек», сигналы которых объединяются суперкомпьютером, называемым Коррелятором. В 2016 году количество ячеек было удвоено до 256, а их конфигурация по всему ландшафту была изменена, чтобы улучшить их чувствительность к сигналу нейтрального водорода. Это новое исследование является первым анализом данных из расширенного массива.

Нейтральный водород испускает излучение на длине волны 21 сантиметра. Поскольку Вселенная расширилась за последние 12 миллиардов лет, сигнал от EoR теперь растянулся примерно до 2 метров, и это то, что ищут астрономы MWA. Проблема в том, что существует множество других источников, которые излучают на той же длине волны — антропогенные источники, такие как цифровое телевидение, а также естественные источники из Млечного Пути и из миллионов других галактик.

«Все эти другие источники на много порядков сильнее сигнала, который мы пытаемся обнаружить», — сказал Побер. «Даже радиосигнала FM, который отражается от самолета, проходящего над телескопом, достаточно, чтобы загрязнить данные».

Чтобы сосредоточиться на сигнале, исследователи используют множество технологий обработки, отсеивающих эти загрязнители. В то же время они учитывают уникальные частотные характеристики самого телескопа.

«Если мы посмотрим на разные радиочастоты или длины волн, телескоп ведет себя немного по-другому», — сказал Побер. «Корректировка отклика телескопа абсолютно необходима для разделения астрофизических загрязнений и сигнала, представляющего интерес».

Эти методы анализа данных в сочетании с расширенной пропускной способностью самого телескопа привели к новой верхней границе мощности сигнала EoR. Это второй последовательный анализ наилучших предельных значений, который будет опубликован MWA, и он вселяет надежду, что эксперимент однажды обнаружит неуловимый сигнал EoR.

Популярные материалы