Міжнародна команда астрономів уперше здійснила пряме вимірювання великомасштабної структури космічного водню. Для цього співпраця MeerKLASS використала радіотелескоп MeerKAT у Південній Африці та метод картування інтенсивності 21-см випромінювання. Як повідомляє видання Universe Today, цей підхід показав, що нейтральний водень повторює структуру так званої космічної павутини й може радикально змінити способи картування Всесвіту.
Чому саме водень і чому на хвилі 21 см
У перші сотні мільйонів років після Великого вибуху нейтральний водень був фактично єдиним елементом у Всесвіті. Цей період інколи називають «космічними темними віками». Саме з цього газу згодом утворилися перші зорі, галактики та нитки космічної павутини.
І сьогодні водень залишається найпоширенішим елементом у космосі. Він заповнює міжзоряне середовище всередині галактик та міжгалактичний простір. Вимірювати його великомасштабний розподіл дає змогу так звана 21-см лінія — слабке радіовипромінювання нейтрального водню, яке можна зафіксувати радіотелескопами.
Співпраця MeerKLASS (MeerKAT Large Area Synoptic Survey) протягом приблизно десятиліття намагалася з’ясувати, як цей нейтральний водень «згущується» в далекому Всесвіті й чи повторює він картину космічної павутини, відому з інших спостережень.
Як працює картування інтенсивності 21-см випромінювання
Команда використовує техніку, відому як картування інтенсивності HI (HI intensity mapping або 21-cm intensity mapping). Її ідея полягає не в тому, щоб розрізняти окремі галактики, а в тому, щоб реєструвати сукупне випромінювання великої кількості галактик у великих ділянках неба.
Так можна побудувати тривимірні карти Всесвіту, де показано розподіл матерії — газу, пилу, зір, галактик та скупчень — у структурі космічної павутини. Однак це надзвичайно складне завдання: сигнал від нейтрального водню приблизно у 10 000 разів слабший за інші радіоджерела, які утворюють «передній фон» і заважають вимірюванням.
Щоб виділити цей слабкий сигнал, науковці застосували для MeerKAT незвичний режим роботи. Замість того, щоб поєднати всі 64 антени в один інтерферометр із високою роздільною здатністю, вони працювали з кожною антеною як з окремим телескопом. Це зменшило різкість зображень, зате забезпечило дуже високу швидкість огляду неба — критичний параметр для такого типу досліджень.
Що саме виміряли радіоастрономи
Для свого аналізу команда використала дані з огляду приблизно 250 квадратних градусів неба, отримані масивом MeerKAT. У цих даних вчені змогли виявити сигнал нейтрального водню, що походить з епохи близько 4,5 мільярда років тому, тобто через приблизно 9 мільярдів років після Великого вибуху.
Спостереження з окремих антен та різних періодів оброблялися так, щоб отримати багато незалежних карт. Потім ці карти порівнювали між собою: це дозволило приглушити артефакти окремих інструментів і, навпаки, підсилити реальні структури, пов’язані з космічним воднем.
Отримані результати показали, що розподіл нейтрального водню дійсно відображає великомасштабну структуру космічної павутини, відому за оптичними та іншими оглядами. Таким чином, було вперше прямо виміряно структуру космічного водню в таких масштабах.
Ключову роль у створенні аналітичного програмного комплексу для такої обробки даних відіграв д-р Стівен Каннінгтон (Steven Cunnington), старший науковий співробітник Інституту космології та гравітації Університету Пердью. Він працює в межах MeerKLASS із 2015 року та співкерує однією з робочих груп колаборації.
Що це означає для космології
Нові дані дають змогу точніше обмежувати ключові параметри, що описують еволюцію Всесвіту. Йдеться, зокрема, про швидкість його розширення, відому як стала Габбла–Леметра, а також про вплив темної енергії та розподіл темної матерії.
Керівник огляду MeerKLASS професор Маріу Сантуш (Mário Santos) наголошує, що це вимірювання є важливим етапом у становленні 21-см картування інтенсивності як нового інструменту космології. Досягнути результату вдалося завдяки майже десятирічній спільній роботі дослідників із семи країн на трьох континентах, серед яких багато науковців на початку кар’єри.
Науковці підкреслюють, що такі проєкти можливі лише завдяки довготривалим колективним зусиллям і підтримці інфраструктури — зокрема Південноафриканської радіоастрономічної обсерваторії, яка збудувала й експлуатує MeerKAT та допомагала розв’язувати численні технічні виклики під час цього огляду.
Нове пряме вимірювання космічного водню підтверджує, що метод 21-см картування здатен стати одним із головних інструментів майбутніх космологічних досліджень. Надалі подібні спостереження можуть суттєво уточнити наші уявлення про історію розширення Всесвіту та роль темних компонентів космосу.