Радіосигнали з космосу підкажуть масу найперших зір у Всесвіті. Але астрономам потрібні потужніші радіотелескопи

Олександра Іванова 20 Червня Джерело: Nature Astronomy

Команда астрофізиків показала, що деталі про найперші зорі у Всесвіті — зокрема про їхню кількість, масу й особливості народження — може розповісти радіосигнал, створений атомами нейтрального водню, які заповнювали міжгалактичний простір майже одразу після Великого вибуху. Науковці послідовно змоделювали, як цей сигнал змінюється залежно від різних сценаріїв зореутворення. Утім, щоб зареєструвати його з потрібною точністю та заповнити цю прогалину у розумінні еволюції Всесвіту, астрономам знадобляться потужніші радіотелескопи за ті, що працюють зараз. Результати роботи дослідників опубліковані у Nature Astronomy.

Про який радіосигнал йдеться?

Основним завданням сучасної космології є визначити, коли та за яких умов у Всесвіті засяяли перші зорі. Адже їхня поява стала поворотним моментом в еволюції Всесвіту, позначивши перехід від однорідного, холодного й темного космосу до епохи, коли почали формуватися галактики. Утім, оскільки перші світила з'явилися щонайменше як 13 мільярдів років тому, спостерігати їх напряму наразі неможливо — лише через вивчення їхнього непрямого впливу на навколишнє космічне середовище та за допомогою моделювання.

Але нещодавно як перспективний інструмент вивчення найперших світил астрономи почали розглядати так звану 21-сантиметрову радіолінію водню — слабке радіовипромінювання, яке виникає в атомах нейтрального водню через зміну їхнього внутрішнього магнітного стану. Ця лінія випромінюється на частоті 1420 мегагерців (довжина хвилі 21 сантиметр) та спостерігається у найдавніших епохах еволюції Всесвіту. Досі вважалося, що цей сигнал чутливий до ультрафіолетового випромінювання перших зірок, але майже не дає інформації про їхню масу чи структуру. Але науковці з університетів Сполученого Королівства спільно з колегами з Бельгії, Іспанії та Ізраїлю довели, що це не так.

Як радіосигнал вкаже на масу зір?

Щоб з’ясувати, як саме 21-сантиметровий сигнал може розкрити масу перших зірок, дослідники детально змоделювали фізичні процеси, що відбувалися в ранньому Всесвіті після їхнього народження. Оскільки перші зорі формувалися з газу, практично не збагаченого важкими елементами, а також часто створювали подвійні системи, під час смерті одна з них могла перетворюватися на нейтронну зорю або чорну діру. Тоді вона могла поглинати речовину зорі-сусідки та генерувати рентгенівське випромінювання. Ці рентгенівські промені ефективно нагрівали навколишній міжгалактичний газ, впливаючи на 21-сантиметрову радіолінію водню, зокрема змінюючи його температуру відносно температури космічного мікрохвильового фону. Це своєю чергою змінює глибину й форму цього сигналу.

Власне за цим науковці й пропонують визначати масу перших світил. Кількість утворених ними рентгенівських систем і їхня яскравість напряму залежить від того, якими були самі зорі: якщо масивних зірок було багато, рентгенівські системи ставали б потужнішими, але менш численними. Якщо ж зірок було більше і вони були переважно легшими — рентгенівських джерел виникало би більше, але вони випромінювали слабше. Саме ці відмінності у нагріванні газу, показало моделювання науковців, залишать помітний слід у 21-сантиметровому сигналі. Моделюючи різні варіанти розподілу мас перших зірок, вчені показали, як характер цього радіосигналу змінюється, і як за цим можна відтворити характеристики перших зірок.

Як астрономам це використати?

Попри те, що 21-сантиметровий сигнал може розказати багато інформації, з раннього Всесвіту він досягає нас на дуже низьких частотах, які важко відокремити від численних джерел земного і космічного радіошуму. Тому дослідження, які запропонували у своїй роботі науковці, потребують значно чутливіших інструментів та методів аналізу. Зокрема науковці покладають надії на майбутні експерименти, такі як REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen) і SKA-Low (Square Kilometre Array — низькочастотна частина).

Експеримент REACH, який уже розпочав першу фазу спостережень, за прогнозами зможе надати статистично достовірні обмеження на масовий розподіл перших зірок із точністю понад 3 сигми. А мережу SKA-Low, яку частково планують ввести в експлуатацію у 2028 році, збиратиме дані впродовж тисяч годин спостережень та зможе детально вимірювати спектр потужності 21-сантиметрового сигналу і таким чином розрізняти навіть невеликі відмінності у тому, скільки було легких і важких зір серед найперших світил.

Що ми знаємо про найперші зорі

🌌 Сліди перших світил Всесвіту зберегли три гігантські газові хмари, які може досліджувати комплекс Дуже великого телескопа.

💧 Також з'ясувалося, що вибухи найперших світил наповнили ранній Всесвіт водою.

💥 А більше про те, що відбувалося на самому початку появи Всесвіту ми розповіли у матеріалі «Всесвіт почався з Великого вибуху?».