Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (CHIME) впервые доказал, что способен фиксировать крайне слабое радиоизлучение водородного газа из далёких областей Вселенной, опираясь исключительно на собственные данные. Такой результат может предложить учёным более быстрый и дешёвый способ изучения тёмной энергии — загадочного явления, которое, как считается, ускоряет расширение Вселенной. Понимание природы тёмной энергии остаётся одной из главных нерешённых задач современной физики, а достижение CHIME стало важной вехой для проекта, изначально задуманного именно под такие измерения. Исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal.
«Водород — самый распространённый элемент во Вселенной и исходный материал, из которого формируются звёзды, — приводит слова соавтора работы, доктора Арнаба Чакраборти, постдокторанта Университета Торонто, предложившего данное открытие. — Его слабое радиоизлучение действует как космический маркер, показывая, как материя распределена в пространстве». Учёные выдвигали конкурирующие версии о природе тёмной энергии. Поскольку CHIME теперь может проводить такие измерения на основе собственных данных, исследователи получают возможность независимо проверять эти идеи и собирать свидетельства, которые подтвердят или опровергнут существующие теории.
«Это совершенно новая методика зондирования космоса, реализованная инструментом, который был задуман, построен и профинансирован канадцами, — отметил соавтор работы доктор Марк Халперн, профессор кафедры физики и астрономии Университета Британской Колумбии и главный исследователь CHIME. — Это смелый новый шаг в мировой космологической программе и канадская история успеха».
CHIME представляет собой радиотелескоп, расположенный близ Пентиктона в Британской Колумбии и работающий под эгидой Национального исследовательского совета Канады (NRC). Инструмент ежедневно проводит обзор всего северного неба. В проекте участвуют исследователи из разных уголков Канады, включая учёных Университета Британской Колумбии, Университета Макгилла, Университета Торонто и Доминионской радиоастрофизической обсерватории (NRC). К работе также подключены другие североамериканские партнёры, в том числе Университет штата Аризона.
Одна из главных задач CHIME — составить карту распределения водородного газа в ранней Вселенной. Измеряя эту крупномасштабную структуру, астрономы могут восстановить картину расширения Вселенной во времени и использовать полученные данные для изучения тёмной энергии. До сих пор исследователям CHIME приходилось сопоставлять свои радионаблюдения с данными галактических обзоров, собранными другими телескопами. Такие обзоры решают схожие космологические задачи, наблюдая свет галактик с гораздо большей детализацией, однако они могут стоить на миллионы долларов дороже и в основном охватывают области Вселенной, достаточно горячие и плотные для образования звёзд. CHIME вместо этого измеряет суммарное радиоизлучение самого водорода. Такой подход позволяет изучать значительно более крупные области космоса, заглядывать дальше в прошлое и решать аналогичные задачи при меньших затратах, не завися от данных других обзоров.
В сопроводительной статье исследователи проанализировали, что новый обнаруженный сигнал может рассказать о распределении водорода во Вселенной. «Наши данные указывают на то, что примерно два процента водорода во Вселенной в тот период находились в нейтральной атомарной форме, что в целом согласуется с другими измерениями, — сказал соавтор работы доктор Шаббир Шейх, постдокторант Университета штата Аризона. — Измеряя, как этот водород распределён и сгруппирован, CHIME даёт нам новый способ проверять наше понимание формирования и эволюции галактик». Таким образом, измерение предлагает не только новый метод изучения космического расширения, но и помогает проверять модели галактикообразования и лучше понимать, как материя организовывалась во Вселенной.
Открытие не было внезапным прорывом. Исследователям пришлось применить новые методы обработки и анализа данных, чтобы выделить чрезвычайно слабый водородный сигнал на фоне гораздо более мощных помех. Этот фон включал радиоизлучение самой Вселенной, сигналы от человеческих технологий и даже эффекты, создаваемые самим телескопом. После выявления возможной водородной сигнатуры команда потратила более года на проверки, чтобы убедиться в подлинности результата. Анализ в итоге показал, что сигнал исходит от водорода из далёкой Вселенной, когда её возраст составлял около пяти миллиардов лет. Результат основан на 94 ночах наблюдений, собранных в 2019 году. «Мы очень старались убедить себя, что это не ложная тревога, — сказал доктор Чакраборти. — После всех проверок сигнал сохранился. Это придало нам уверенности, что мы видим настоящий водород из далёкой Вселенной».
Новый результат опирается лишь на малую часть информации, накопленной CHIME с начала работы. Сейчас в распоряжении исследователей почти семь лет наблюдений. Они работают над тем, чтобы распространить методику дальше в космическую историю, стремясь изучить эпоху, когда Вселенной было всего три миллиарда лет. «Долгое время астрофизики верили, что в этой методике картирования водорода с помощью подобного телескопа заложен большой потенциал, — сказал соавтор работы доктор Саймон Форман, доцент Университета штата Аризона. — Показав на практике, что методика действительно работает, мы открыли совершенно новое окно во Вселенную. Мы можем использовать его для проверки наших текущих теорий и получения новых знаний о галактиках и других свойствах Вселенной». Проект финансируется Канадским фондом инноваций, Национальным исследовательским советом Канады, Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям, а также провинциями Британская Колумбия, Онтарио и Квебек, и поддерживается Цифровым исследовательским альянсом Канады.