Постижение того, как Вселенная совершила переход от состояния мрака к появлению света, ознаменованного формированием первых звезд и галактик, представляет собой ключевой момент в эволюции космоса, известный как Космический Рассвет. Однако прямое наблюдение этих древнейших звезд недостижимо даже с помощью самых совершенных телескопов, что делает определение их характеристик одной из сложнейших задач в современной астрономии.
И вот теперь международный коллектив астрономов под руководством исследователей из Кембриджского университета продемонстрировал возможность получения информации о массах этих первых звезд путем анализа специфического радиосигнала, излучаемого атомами водорода, заполняющими пространство между формирующимися звездами, возникшего всего через сто миллионов лет после Большого взрыва.
Исследуя влияние первых звезд и их остатков на этот сигнал, известный как 21-сантиметровый сигнал, ученые показали, что будущие радиотелескопы смогут пролить свет на раннюю Вселенную и процесс ее трансформации из почти однородной массы, состоящей преимущественно из водорода, в ту невероятную сложность, которую мы наблюдаем сегодня.
«Это уникальная возможность проследить, как из темноты зародился первый свет Вселенной, – отметила соавтор исследования, профессор Анастасия Фиалкова из Кембриджского института астрономии. – Переход от холодной, темной Вселенной к Вселенной, наполненной звездами, – это история, которую мы только начинаем разгадывать».
Изучение самых старых звезд во Вселенной основано на анализе слабого свечения 21-сантиметрового сигнала – тонкого энергетического сигнала, возникшего более 13 миллиардов лет назад. Этот сигнал, модулированный излучением первых звезд и черных дыр, открывает уникальное окно в младенчество Вселенной.
Фиалкова возглавляет теоретическую группу в рамках проекта REACH (Радиоэксперимент по анализу космического водорода). REACH – это радиоантенна, один из двух масштабных проектов, призванных раскрыть тайны Космического рассвета и Эпохи реионизации, когда первые звезды реионизировали нейтральные атомы водорода во Вселенной.
Несмотря на то, что REACH, предназначенный для приема радиосигналов, находится на этапе калибровки, он обещает предоставить ценные данные о ранней Вселенной. В то же время, Square Kilometer Array (SKA) – гигантский массив антенн, находящийся в стадии строительства, – будет регистрировать колебания космических сигналов в широких областях неба.
Оба проекта играют ключевую роль в изучении масс, светимостей и распределения самых первых звезд во Вселенной. В текущем исследовании Фиалкова, являющаяся также членом SKA, и ее коллеги разработали модель, прогнозирующую характеристики 21-сантиметрового сигнала для обоих проектов (REACH и SKA), и обнаружили высокую чувствительность сигнала к массам первых звезд.
«Мы – первая группа, которая последовательно смоделировала зависимость 21-сантиметрового сигнала от масс первых звезд, учитывая влияние ультрафиолетового излучения звезд и рентгеновского излучения от рентгеновских двойных, образующихся после смерти первых звезд, – сообщила ученый. – Эти выводы основаны на моделировании, интегрирующем первичные условия Вселенной, такие как водородно-гелиевый состав, сформировавшийся после Большого взрыва».
При создании теоретической модели ученые исследовали, как 21-сантиметровый сигнал реагирует на распределение масс первых звезд, известных как звезды населения III. Они обнаружили, что предыдущие исследования недооценивали эту взаимосвязь, поскольку не учитывали концентрацию и светимость рентгеновских двойных – двойных систем, состоящих из обычной звезды и коллапсирующей звезды – среди звезд населения III, и их влияние на 21-сантиметровый сигнал.
Изображение на обложке: phys.org
