Эпоху образования первых звезд и галактик иногда называют «космическим рассветом». Однако даже с помощью самых мощных телескопов мы не можем непосредственно наблюдать самые ранние звезды, и потому определение их свойств является одной из самых сложных задач в астрономии. Международная группа астрономов под руководством ученых Кембриджского университета показала, что мы сможем узнать о массе и других параметрах самых ранних звезд, изучая специфические радиосигналы, которые генерировали атомы водорода, заполнявшие промежутки между областями звездообразования. Эти области возникли всего через сто миллионов лет после Большого взрыва.
Скопления водорода испускают характерные радиоволны длиной 21 см. Их частота равна 1428,57 МГц (чтобы перевести метры в герцы надо скорость света 300 000 км/с разделить на число метров). Исследователи попытались понять, как первые звезды и другие объекты юной Вселенной повлияли на этот сигнал. Говоря простыми словами, они начали искать моменты, когда в ровный водородный шум, подобный фоновому жужжанию радиостанции УВБ-76, начали вторгаться некие «сообщения».
Исследователи отметили, что будущие более мощные радиотелескопы помогут нам лучше понять раннюю Вселенную и то, как она трансформировалась из однородной массы атомов водорода, немного разбавленной атомами гелия, в невероятно сложную многомерную Вселенную, которую мы наблюдаем сегодня. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Анастасия Фиалкова (Anastasia Fialkov) возглавляет теоретическую группу проекта REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen, радиоэксперимент по анализу космического водорода, тут присутствует игра слов, в буквальном смысле to reach означает «достигать» — прим. ред.). В управлении REACH находятся радиоантенны в северном и южном полушариях, основная задача которых — собрать информацию о так называемой эпохе реионизации, когда первые звезды реионизировали электрически нейтральные атомы водорода в межзвездной среде.
Состояние самых древних звезд и черных дыр Вселенной отражено в слабых радиосигналах, родившихся более 13 миллиардов лет назад. Эти сигналы дают пока единственную возможность заглянуть в детство Вселенной. Хотя система REACH все еще находится на стадии калибровки, она обещает раскрыть данные о ранней Вселенной, которые невозможно получить ни с помощью оптических телескопов, ни посредством наблюдений в других диапазонах электромагнитного спектра.
Предполагается, что REACH в дальнейшем будет работать с комплексом Square Kilometer Array (SKA) — массивной системой антенн, которые будут отслеживать космические сигналы в максимально обширной области небосвода.
Оба проекта имеют жизненно важное значение для изучения масс, светимости и распределения самых ранних звезд во Вселенной. В текущем исследовании Фиалкова и ее коллеги разработали модель, которая позволяет прогнозировать 21-сантиметровый сигнал как для REACH, так и для SKA, и обнаружили, что сигнал чувствителен к массам первых звезд.
Ученые смоделировали зависимость 21-сантиметрового сигнала от масс первых звезд, характеристик их ультрафиолетового излучения и излучения рентгеновских двойных систем, образующихся в конце жизненного цикла первых звезд. Все это явилось результатом численного моделирования, которое основано на предполагаемом соотношении водорода и гелия в термодинамических условиях в первые 100 миллионов лет после Большого взрыва.
Разрабатывая свою теоретическую модель, исследователи изучали, как 21-сантиметровый сигнал реагирует на распределение масс ранних звезд, которых астрофизики называют «звездами третьего населения». По мнению авторов, предыдущие исследования недооценивали эту связь, поскольку не учитывали количество и яркость рентгеновских двойных систем, состоящих из обычной звезды и коллапсирующего компаньона. По мнению исследователей, такие двойные системы весьма значительно повлияли на распространение волн длиной 21 см.
В отличие от оптических телескопов, таких как «Джеймс Уэбб», которые получают яркие красочные изображения, радиоастрономия опирается на статистический анализ слабых сигналов. REACH и SKA не в состоянии получать изображения отдельных далеких звезд, но будут предоставлять информацию о скоплениях звезд, рентгеновских двойных системах, галактиках и областях звездообразования.
Требуется немного воображения, чтобы связать радиоданные с историей появления первых звезд, но значение таких данных трудно переоценить. У нас появляется уникальная возможность узнать, как из тьмы появился первый источник света во Вселенной. Переход от темной пустыни ко Вселенной, наполненной звездами — это захватывающая история, которую мы только начинаем понимать.
Соавтор исследования доктор Элой де Лера Аседо (Eloy de Lera Acedo), главный специалист команды телескопа REACH в Кембридже, занимающаяся также разработкой SKA, добавила, что получаемые данные позволяют определить не только массу первых звезд, но также их предполагаемую светимость и другие характеристики, а также сравнить первичные звезды и черные дыры с современными. Не исключено, что те ранние небесные огни сильно отличались от нынешних.
