Исследование эпохи реионизации

Эпоха, когда появились самые первые звезды, является ключевым периодом истории нашего мира. В них начался синтез металлов (так астрономы обобщенно называют все химические элементы тяжелее водорода и гелия), а их свет запустил процесс реионизации нейтрального космического газа. Именно тогда Вселенная приобрела вид, близкий к тому, который мы наблюдаем сегодня.

Термин «реионизация» здесь используется в том смысле, что изначально все вещество было ионизированным — отрицательно заряженные электроны и положительные атомные ядра (в основном протоны и α-частицы с микропримесями дейтронов и ядер гелия-3) существовали раздельно и объединились в нейтральные атомы лишь спустя 380 тыс. лет после Большого Взрыва, когда за счет расширения Вселенная достаточно остыла. Позже под действием ультрафиолетового излучения первых звезд атомы снова начали частично терять электроны.

Астрономы подсчитали, что этот процесс начался еще через 300-400 млн лет, однако датировать его точнее пока не представляется возможным из-за недостатка наблюдательных данных.

В настоящее время ученые создают радиоастрономические инструменты, подобные австралийскому антенному массиву Мерчинсона (Murchison Wide-field Array — MWA), для поиска излучения атомов водорода, возникших на ранних этапах эпохи реионизации. Это крайне сложная задача не только потому, что искомые источники слабы и очень далеки, но и потому, что космос заполнен галактиками, образовавшимися в намного более поздние времена и лежащими на пути распространения света первых звезд, являясь мощными помехами и дополнительными ослабляющими «фильтрами» первичного излучения. Астрономы Линкольн Гринхилл, Джастин Каспер и Ави Лоеб из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (Lincoln Greenhill, Justin Kasper, Avi Loeb, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts) возглавили большой коллектив ученых, использовавших MWA на начальной стадии его эксплуатации для составления каталога приоритетных источников, которые могут быть наиболее вероятными «помехами».

В настоящее время антенный массив состоит из 128 групп («плиток») по 16 антенн в каждой, чувствительных к излучению с длиной волны около одного метра. Необычная структура телескопа позволяет уверенно выделять отдельные источники и детально анализировать наблюдательные данные.

Астрономы успешно идентифицировали 7394 внегалактических объекта, которые можно было бы ошибочно принять за искомые первоисточники космического излучения — скопления ионизированного газа в ранней Вселенной. Почти все эти объекты связаны с уже открытыми галактиками, но 25 из них оказались приятной неожиданностью: об их существовании ранее известно не было. Все они сейчас активно изучаются. Новые результаты, прежде всего, демонстрируют высокую эффективность самого MWA. Но главное — они стали первым шагом на пути создания обширной базы наблюдательных данных для учета фонового излучения, что крайне важно для исследования процессов формирования первых звезд и звездных систем.