Самые бесплодные из известных регионов - это отдаленные уголки межгалактического пространства. В этих бескрайних пространствах между галактиками на кубический метр приходится всего один-единственный атом - рассеянная дымка газообразного водорода, оставшаяся после Большого взрыва. В самом большом масштабе этот материал представляет собой обширную сеть нитевидных структур, известную как «космическая паутина», ее запутанные нити простираются на миллиарды световых лет и составляют большинство атомов во Вселенной.
Теперь группа астрономов, в том числе физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джозеф Хеннави, провела первые измерения мелкомасштабной ряби в первозданном газообразном водороде с использованием редких двойных квазаров. Хотя изученные ими области космической паутины находятся на расстоянии почти 11 миллиардов световых лет, им удалось измерить вариации ее структуры в масштабе в 100 000 раз меньшем, сравнимом с размером одной галактики. Результаты опубликованы в журнале Science.
Межгалактический газ настолько разрежен, что не излучает собственного света. Вместо этого астрономы изучают его косвенно, наблюдая, как он выборочно поглощает свет, исходящий от далеких источников, известных как квазары. Квазары представляют собой короткую гиперсветовую фазу галактического жизненного цикла, питаемую материей, падающей в центральную сверхмассивную черную дыру галактики. Действуя как космические маяки, они представляют собой яркие отдаленные маяки, которые позволяют астрономам изучать межгалактические атомы, находящиеся между квазаром и Землей. Но поскольку эти сверхяркие эпизоды длятся лишь крошечную часть жизни галактики, квазары соответственно редки и обычно отделены друг от друга сотнями миллионов световых лет.
Чтобы исследовать космическую паутину на гораздо меньших масштабах, астрономы воспользовались случайным космическим совпадением: они идентифицировали чрезвычайно редкие пары квазаров и измерили тонкие различия в поглощении межгалактических атомов вдоль двух линий обзора.
«Пары квазаров подобны иголкам в стоге сена», - объяснил Хеннави, доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Хеннави был пионером в применении алгоритмов «машинного обучения» - разновидности искусственного интеллекта - для эффективного определения местоположения пар квазаров в огромных объемах данных, полученных в результате цифровых съемок ночного неба. «Чтобы найти их, мы прочесали изображения миллиардов небесных объектов, которые в миллионы раз слабее, чем то, что можно увидеть невооруженным глазом».
После идентификации пары квазаров наблюдались с помощью самых больших телескопов в мире, в том числе 10-метровых телескопов Кека в Центре им. В. М. Обсерватория Кека на Мауна-Кеа, Гавайи, партнером-основателем которой является Калифорнийский университет.
«Одной из самых больших проблем была разработка математических и статистических инструментов для количественной оценки крошечных различий, которые мы измеряли в этом новом типе данных», - сказал ведущий автор Альберто Рорай, бывший доктор философии Хеннави. студент, который сейчас работает докторантом в Кембриджском университете. Рораи разработал эти инструменты в рамках исследования для получения докторской степени и применил их к спектрам квазаров вместе с Хеннави и другими коллегами.
Астрономы сравнили свои измерения с суперкомпьютерными моделями, которые имитируют формирование космических структур от Большого взрыва до настоящего времени. На одном ноутбуке эти сложные вычисления потребовали бы почти 1000 лет, но современные суперкомпьютеры позволили исследователям выполнить их всего за несколько недель.
«Входными данными для наших симуляций являются законы физики, а выходом является искусственная Вселенная, которую можно напрямую сравнить с астрономическими данными», - сказал соавтор Хосе Онорбе, научный сотрудник Института Макса Планка. Астроном в Гейдельберге, Германия, который руководил работой по моделированию суперкомпьютера.«Я был рад увидеть, что эти новые измерения согласуются с устоявшейся парадигмой формирования космических структур».
«Одна из причин, почему эти мелкомасштабные колебания настолько интересны, заключается в том, что они кодируют информацию о температуре газа в космической паутине всего через несколько миллиардов лет после Большого взрыва», - объяснил Хеннави.
Астрономы считают, что материя во Вселенной миллиарды лет назад прошла через фазовые переходы, которые резко изменили ее температуру. Эти переходы, известные как космическая реионизация, происходили, когда коллективное ультрафиолетовое свечение всех звезд и квазаров во Вселенной становилось достаточно интенсивным, чтобы отрывать электроны от атомов в межгалактическом пространстве. Как и когда произошла реионизация - один из самых больших открытых вопросов в области космологии, и эти новые измерения дают важные подсказки, которые помогут рассказать об этой главе космической истории.