Группа ученых, работающая с радиотелескопом Murchison Widefield Array (WMA), пытается найти сигнал от первых звезд Вселенной. Эти первые звезды образовались после того, как Вселенная Темные времена . Чтобы найти свой первый свет, исследователи ищут сигнал от нейтрального водорода, газа, который доминировал во Вселенной после Средневековья.
Первые звезды сформировались не сразу. После Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей; слишком горячий для образования атомов. Без атомов не могло бы быть звезд. Только через 377000 лет после Большого взрыва Вселенная расширилась и остыла настолько, что образовались атомы, в основном нейтральный водород с небольшим количеством гелия. (И следы лития.) После этого начали формироваться самые ранние звезды, во время Эпоха реионизации .
Чтобы найти неуловимый сигнал от нейтрального водорода, MWA изменили конфигурацию. В MWA находится в отдаленной Западной Австралии, и когда он начал работу в 2013 году, в нем было 2048 радиоантенн, расположенных в 128 «плиток». Для поиска неуловимого сигнала нейтрального водорода количество плиток было увеличено вдвое до 256, а весь массив был перестроен. Все данные с этих приемников поступают в суперкомпьютер, называемый Коррелятором.
Массив Murchison Widefield состоит из 256 ячеек приемников. Кредит изображения: Сотрудничество MWA / Университет Кертина.
В новой статье, которая будет опубликована в Astrophysical Journal, представлены результаты первого анализа данных из недавно сконфигурированного массива. Статья озаглавлена « Результаты первого сезона MWA фазы II EoR спектра мощности на Redshift 7 . » Ведущий исследователь - Вэньян Ли, аспирант Брауновского университета.
Это исследование было направлено на понимание силы сигнала нейтрального водорода. Анализ установил самый низкий предел для этого сигнала, что является ключевым результатом поиска самого слабого сигнала.
«Мы можем с уверенностью сказать, что если бы сигнал нейтрального водорода был сильнее, чем предел, который мы установили в статье, то телескоп обнаружил бы его», - сказал Джонатан Побер, доцент физики Брауновского университета и автор-корреспондент по теме новая бумага. «Эти открытия могут помочь нам еще больше ограничить время окончания космических темных веков и появления первых звезд».
Несмотря на то, что это выглядит как подробный график событий в ранней Вселенной, в нашем понимании есть существенные пробелы. Мы знаем, что после Средневековья началась Эпоха реионизации. Именно тогда образование атомов привело к появлению первых структур во Вселенной, таких как звезды, карликовые галактики и квазары. Когда эти объекты сформировались, их свет распространился по Вселенной, повторно ионизируя нейтральный водород . После этого нейтральный водород исчез из межзвездного пространства.
Графическое представление истории Вселенной, выполненное Джорговски и др. (Калифорнийский технологический институт).
Ученые хотят знать, как изменился нейтральный водород по мере того, как Темные века уступили место эпохе реионизации, и развернулась эпоха реионизации. Первые звезды, образовавшиеся во Вселенной, были строительными блоками структуры, которую мы видим сегодня, и чтобы понять их, ученым необходимо найти сигнал от этого раннего нейтрального водорода.
Но это непросто. Сигнал слабый, и для его обнаружения нужны очень чувствительные детекторы. Хотя нейтральный водород первоначально излучал излучение с длиной волны 21 см, сигнал был растянут из-за расширения Вселенной. Сейчас около 2 метров. Этот двухметровый сигнал теперь легко теряется среди множества других подобных ему сигналов, как естественных, так и вызванных человеком. Вот почему MWA находится в отдаленной Австралии, чтобы изолировать его от как можно большего радиопомех.
«Все эти другие источники на много порядков сильнее сигнала, который мы пытаемся обнаружить», - сказал Побер. «Даже FM-радиосигнала, отраженного от самолета, пролетающего над телескопом, достаточно, чтобы испортить данные».
Именно здесь вступает в игру вычислительная мощность суперкомпьютера Correlator. Он обладает способностью отбрасывать загрязняющие сигналы, а также учитывать природу самого MWA.
Схема эволюции Вселенной от Большого взрыва до наших дней с двумя эпохами реионизации. Предоставлено: НАСА, ЕКА и А. Фейлд (STScI).
«Если мы посмотрим на разные радиочастоты или длины волн, телескоп ведет себя немного по-другому», - сказал Побер. «Коррекция отклика телескопа абсолютно необходима для последующего разделения астрофизических примесей и интересующего сигнала».
Реконфигурация массива, методы анализа данных, мощность суперкомпьютера и упорный труд исследователей дали результаты. В статье представлен новый верхний предел сигнала нейтрального водорода. Это второй раз, когда ученые, работающие с MWA, выпустили новый, более точно настроенный предел. При постоянном прогрессе ученые надеются найти сам неуловимый сигнал.
«Этот анализ показывает, что модернизация на втором этапе дала много желаемых результатов и что новые методы анализа улучшат будущие анализы», - сказал Побер. «Тот факт, что MWA теперь опубликовал два лучших предела сигнала, дает импульс к идее, что этот эксперимент и его подход многообещающе».
Более:
- Пресс-релизы Ученые на дюйм ближе, чем когда-либо, к сигналу космического рассвета
- Исследовательская работа: Результаты первого сезона MWA фазы II EoR спектра мощности на Redshift 7
- Обсерватория Хейстэк Массачусетского технологического института: Эпоха реионизации
- Вселенная сегодня: Ранняя галактика указывает на эпоху реионизации
