Телескоп услышал древний водород и открыл новый путь к тайне тёмной энергии

Чтобы исследовать далёкую Вселенную, астрономы обычно ищут яркие объекты: галактики, квазары, сверхновые. Но большая часть космической материи никогда не собиралась в столь эффектные маяки. Канадский радиотелескоп CHIME продемонстрировал другой подход: вместо подсчёта отдельных галактик он зарегистрировал суммарное слабое радиоизлучение нейтрального водорода примерно с той эпохи, свет которой путешествовал к нам около пяти миллиардов лет. Главное достижение состоит в том, что телескоп впервые получил этот космологический сигнал непосредственно из собственных данных, не используя другой обзор галактик как необходимую внешнюю опору.

Водород подходит для такого эксперимента почти идеально. Это самый распространённый химический элемент во Вселенной, а нейтральный атомарный водород способен излучать радиоволну с характерной длиной 21 сантиметр. Из-за расширения Вселенной древнее излучение по пути к Земле растягивается и приходит на более длинных волнах. Измеряя его на разных частотах, астрономы фактически получают возможность заглядывать на разные расстояния и, следовательно, в разные эпохи космической истории.

Но задача состоит не в том, чтобы увидеть отдельное облако водорода. Сигнал слишком слаб для эффективного построения огромной трёхмерной карты таким способом. Вместо этого используется картирование интенсивности: телескоп измеряет суммарное радиоизлучение большого количества водорода в каждом участке неба, не пытаясь определить положение каждой отдельной галактики. Получается немного размытая, зато колоссальная карта распределения вещества.

Именно для этой задачи и создавался CHIME — Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment. Телескоп расположен в Британской Колумбии и внешне совсем не похож на привычную огромную поворотную антенну. Его неподвижные цилиндрические отражатели используют вращение Земли для ежедневного сканирования северного неба. Такая конструкция позволяет одновременно наблюдать огромную область и собирать чрезвычайно большие массивы радиоданных.

До сих пор космологический водород CHIME удавалось выявлять посредством сопоставления радиокарт с каталогами галактик, созданными другими обзорами. Если в местах известного скопления галактик обнаруживался соответствующий радиосигнал, статистическая корреляция подтверждала присутствие водорода. Это уже демонстрировало возможности инструмента, но оставляло его зависимым от внешней карты Вселенной.

Теперь исследователи смогли выделить сигнал в автокорреляции — фактически обнаружить статистическую структуру космологического водорода внутри самих данных CHIME. Разница существенна. Телескоп начинает работать как самостоятельный космологический картограф, способный исследовать распределение вещества без необходимости предварительно знать из оптических наблюдений, где находятся галактики.

Почему это настолько трудно? Космологическое 21-сантиметровое свечение чрезвычайно слабое. Между ним и радиотелескопом находятся гораздо более яркое радиоизлучение нашей Галактики, внегалактические источники, радиопомехи человеческого происхождения и систематические эффекты самого прибора. Полезный сигнал напоминает тихий шёпот в помещении, где одновременно работают тысячи громкоговорителей. Недостаточно повысить чувствительность — необходимо математически отделить нужную структуру от множества источников шума.

Именно поэтому результат не объявили сразу после появления интересного сигнала. Анализ основан всего на 94 ночах наблюдений 2019 года, но проверка заняла больше года. Исследователи многократно пытались найти инструментальное или статистическое объяснение наблюдаемого эффекта. Сигнал выдержал проверки, что позволило интерпретировать его как космологическое излучение нейтрального водорода примерно при красном смещении z около 1.

Сопутствующий анализ позволил оценить и физические свойства этого газа. Полученные данные указывают, что в исследуемую эпоху около 2% космического водорода находилось в нейтральной атомарной форме. Значение в целом согласуется с независимыми измерениями. Для астрономов важна не только сама доля водорода, но и то, насколько сильно он группируется вместе с крупномасштабной структурой Вселенной.

Здесь появляется связь с тёмной энергией. Мы знаем, что расширение Вселенной ускоряется, однако физическая природа причины этого ускорения остаётся одной из главных загадок современной космологии. Чтобы различать возможные модели, необходимо чрезвычайно точно измерять, как скорость расширения менялась со временем. Для этого космологам нужны огромные трёхмерные карты распределения материи в разные эпохи.

В распределении вещества сохранилась своеобразная стандартная линейка — след акустических процессов ранней Вселенной, известный как барионные акустические осцилляции. Измеряя характерный масштаб этих структур вдоль и поперёк луча зрения, можно восстанавливать историю космического расширения. Традиционные обзоры делают это, определяя положения огромного количества отдельных галактик. Картирование интенсивности водорода предлагает получить аналогичную информацию значительно более широкими мазками.

У подхода есть важное преимущество: Вселенной необязательно создавать яркую звёздную галактику, чтобы её материя попала на карту. Радиотелескоп реагирует на суммарный нейтральный водород, поэтому потенциально способен исследовать огромные объёмы космоса быстро и сравнительно экономично. Это не делает традиционные обзоры ненужными, но предоставляет независимый метод проверки той же космологической истории с совершенно другими источниками систематических ошибок.

Особенно интересно, что нынешний результат использует лишь небольшую часть накопленных наблюдений. CHIME работает уже почти семь лет, тогда как опубликованный анализ основан на 94 ночах. Команда теперь расширяет обработку данных и рассчитывает проникнуть в ещё более раннюю эпоху, когда возраст Вселенной составлял примерно три миллиарда лет. Чем длиннее временной диапазон, тем точнее можно проследить изменение космического расширения.

В перспективе ценность CHIME будет определяться не одним обнаружением водорода, а точностью его карт. Необходимо ещё лучше подавлять радиопомехи, понимать работу инструмента и отделять слабый космологический сигнал от яркого переднего плана. Только после этого метод сможет конкурировать по точности с крупнейшими обзорами галактик и давать строгие ограничения на свойства тёмной энергии.

Но принципиальный барьер уже преодолён. Слабое излучение водорода, путешествовавшее миллиарды лет, удалось извлечь из огромного радиоастрономического шума без внешней карты галактик. Если этот подход масштабируется на весь накопленный массив CHIME и будущие радиотелескопы, одним из важнейших инструментов исследования тёмной энергии может стать не наблюдение отдельных сияющих галактик, а едва различимый коллективный радиошёпот самого распространённого элемента Вселенной.