Астрономы впервые напрямую зарегистрировали слабый водородный сигнал из далёкой Вселенной

Международная группа астрономов впервые напрямую зафиксировала чрезвычайно слабое радиоизлучение нейтрального водорода, исходящее из далёких областей космоса. Открытие, сделанное с помощью южноафриканского радиотелескопа MeerKAT, открывает новый мощный метод картирования крупномасштабной структуры Вселенной.

Учёные из Манчестерского университета и Университета Западного Кейпа использовали радиотелескоп MeerKAT для измерения радиоизлучения нейтрального водорода, которое датируется временем, когда Вселенная была на несколько миллиардов лет моложе, чем сегодня. Ранее подобные наблюдения проводились только в сочетании с оптическими обзорами галактик, однако теперь впервые удалось получить данные исключительно с помощью радиотелескопа.

Нейтральный водород, самый распространённый элемент во Вселенной, испускает слабый радиосигнал на длине волны 21 см — так называемую линию гиперфинного перехода. По мере расширения космоса этот сигнал «растягивается» до более длинных волн, что позволяет астрономам наблюдать водород на разных этапах космической истории. Вместо того чтобы изучать каждую галактику по отдельности, метод интенсивного картирования измеряет суммарный сигнал от множества далёких галактик сразу, что даёт возможность строить объёмные карты распределения материи в космосе.

Команда проанализировала около 96 часов данных, собранных MeerKAT ещё в 2018 году, когда телескоп только начинал научную работу. Учёным удалось выделить сигнал из двух эпох космической истории, соответствующих красным смещениям z ≈ 0,32 и z ≈ 0,44. Это означает, что излучение путешествовало к Земле примерно 4–5 миллиардов лет. Наблюдения охватывают области размером в несколько миллионов световых лет — примерно как расстояние от Млечного Пути до галактики Андромеды.

Особую сложность представляла крайняя слабость сигнала и необходимость отделить его от многочисленных помех — как природных, так и созданных человеком. Для подавления систематических ошибок исследователи применили два независимых подхода. Консервативный метод, основанный на выбраковке интерферометрических баз, позволил достичь достоверности 3,2σ и 3,5σ для двух красных смещений соответственно. Более совершенный алгоритм, учитывающий особенности спектра мощности, повысил значимость до 5,9σ и 9,18σ, что надёжно подтверждает реальность обнаруженного сигнала.

Полученные результаты позволяют впервые измерить параметры функции масс нейтрального водорода и проверить модели его распределения в галактиках. Это критически важно для понимания того, как менялись запасы холодного газа во Вселенной и почему темп звездообразования, достигнув пика около 10 миллиардов лет назад, затем пошёл на спад. Прямое детектирование водорода на космологических расстояниях открывает возможность проследить эволюцию галактик как функцию времени, не прибегая к статистическому усреднению по многим источникам.

Открытие имеет огромное значение для будущих космологических обзоров. Метод интенсивного картирования водорода рассматривается как одна из ключевых научных задач обсерватории Square Kilometre Array (SKA), для которой MeerKAT является телескопом-предшественником. Тот факт, что сигнал удалось извлечь из данных, изначально не предназначенных для такого рода наблюдений, говорит о высоком потенциале MeerKAT и указывает путь для будущих исследований. Когда SKA заработает в полную силу, подобные наблюдения станут рутинными на гораздо больших расстояниях.

Исследователи отмечают, что теперь в распоряжении учёных находится богатый массив данных MeerKAT, ожидающих анализа с помощью этого метода. Будущие наблюдения, охватывающие большие области неба и использующие улучшенные методики калибровки, позволят значительно расширить наши знания о распределении тёмной материи, природе тёмной энергии и крупномасштабной структуре Вселенной.