Астрономы впервые напрямую выделили статистический сигнал нейтрального водорода на расстояниях, соответствующих примерно 4–5 млрд лет пути света, используя только радионаблюдения телескопа MeerKAT в Южной Африке. Результат позволяет изучать распределение вещества во Вселенной без привязки к оптическим каталогам отдельных галактик и показывает, что давно обсуждаемая техника картирования водорода уже работает на космологических расстояниях.
Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters. Авторы проанализировали около 96 часов наблюдений MeerKAT и обнаружили сигнал на двух красных смещениях, z ≈ 0,32 и z ≈ 0,44. Свет и радиоволны из соответствующих областей космоса добирались до Земли примерно 4–5 млрд лет.
Речь идёт не о фотографии отдельного гигантского облака водорода. Учёные измерили пространственные колебания совокупного радиоизлучения нейтрального водорода, распределённого по огромному объёму космоса. Такой подход называют картированием интенсивности водорода. Вместо поиска каждой галактики по отдельности радиотелескоп собирает общий сигнал от множества неразрешённых источников и по его изменениям восстанавливает структуру вещества на масштабах в миллионы световых лет.
Нейтральный водород излучает характерную радиолинию с длиной волны 21 см. Расширение Вселенной растягивает волну, поэтому по наблюдаемой частоте астрономы определяют, насколько далеко находится источник и к какой эпохе относится излучение. В работе команда исследовала два диапазона, соответствующие красным смещениям 0,32 и 0,44.
Главная трудность связана со слабостью космологического сигнала. Радиоизлучение галактик, земные радиопомехи и особенности самого телескопа могут быть намного ярче искомой линии водорода. Исследователи применили метод исключения загрязнённых областей данных и отдельно проверили результат двумя схемами подавления систематических ошибок.
При наиболее консервативной обработке статистическая значимость обнаружения составила 3,2σ для z ≈ 0,32 и 3,5σ для z ≈ 0,44. Более агрессивный отбор данных на основе измеренного спектра мощности повысил значения до 5,9σ и 9,18σ соответственно. Авторы поэтому говорят именно о прямом измерении спектра мощности нейтрального водорода, а не о регистрации отдельных далёких галактик.
До сих пор надёжные измерения такого рода на подобных расстояниях обычно получали через перекрёстное сопоставление радиоизлучения с каталогами галактик, найденных оптическими обзорами. Новая работа извлекает космологический сигнал непосредственно из данных MeerKAT, что делает радиокартирование гораздо более самостоятельным инструментом.
Любопытно, что команда работала с наблюдениями 2018 года, когда MeerKAT только начинал полноценную научную эксплуатацию. По словам одного из авторов Марио Сантоса, результат показывает, сколько информации может оставаться в уже накопленных архивах радиотелескопа после более совершенной обработки данных.
Нейтральный водород особенно интересует космологов, поскольку служит удобным индикатором распределения галактик и вещества в больших объёмах пространства. По форме спектра мощности исследователи могут оценивать свойства популяции водорода и связь газа с гало тёмной материи, а более крупные обзоры помогут проследить формирование галактик и развитие космической паутины.
MeerKAT также служит предшественником строящейся обсерватории Square Kilometre Array. Картирование интенсивности нейтрального водорода рассматривается как одно из перспективных направлений для SKAO. Более длительные наблюдения и охват больших участков неба должны превратить единичное прямое обнаружение в трёхмерные карты распределения вещества на протяжении миллиардов лет космической истории.
