Космическое путешествие во времени: как теперь доказали астрономы, первые звезды во Вселенной засияли уже через 180 миллионов лет после Большого взрыва. Они обнаружили сигнал в космическом фоновом излучении, созданном этим первым звездным светом. Он возникает из водорода, возбужденного УФ-излучением звезд - это также самое раннее свидетельство существования водорода во Вселенной, как сообщают исследователи в журнале «Nature».
Когда образовались первые звезды, во вселенной наступила новая эра - пришел свет. Но когда это произошло, спорно. Данные космического фонового излучения со спутников Planck показывают, что основная фаза звездообразования началась только через 550 миллионов лет после Большого взрыва. Однако чуть позже астрономы обнаружили галактику, существовавшую через 400 миллионов лет после Большого взрыва.
Радиоподпись первичного водорода
Радиосигнал с первых дней существования Вселенной теперь обеспечивает большую ясность. Потому что, когда «темные века» закончились, УФ-излучение молодых звезд изменило энергетическое состояние окружающих водородных облаков. Эти возбужденные атомы водорода оставили свой слабый сигнал в радиоспектре космического фонового излучения. Он состоит из слегка повышенного поглощения на длине волны 21 сантиметр.
«Это первое в истории свидетельство того, что первые звезды формировались и начинали влиять на среду вокруг них», - объясняет соавтор Алан Роджерс из Массачусетского технологического института (MIT). Но обнаружить этот водородный сигнал сложно. «Источники шума могут быть в 10 000 раз сильнее, чем этот сигнал - это все равно, что сидеть посреди урагана и пытаться услышать взмах крыльев колибри», - объясняет Питер Курчински из Национального научного фонда США.
Радиоантенна в глубинке
Но это именно то, что удалось астрономам. Они зафиксировали самый ранний сигнал космического водорода на сегодняшний день. Это стало возможным благодаря специально разработанной радиоантенне EDGES (Experiment to Detect Global EoR Signature). Прибор размером со стол стоит посреди пустыни Западной Австралии, вдали от сигналов искусственных помех.
С помощью этой антенны Джадд Боуман из Университета штата Аризона и его команда обнаружили искомый приемник в радиоволнах космического фона.«Профиль этого сигнала соответствует тому, что ожидается для 21-сантиметрового сигнала от самых ранних звезд», - сообщают астрономы. «Частота соответствует примерно 180 миллионам лет после Большого взрыва».
Самое раннее обнаружение водорода и звездообразования
Астрономам, таким образом, впервые удалось оглянуться назад на решающую эпоху в нашем космосе. «Это самое раннее прямое свидетельство сигнала от первичного газообразного водорода», - говорит Роджерс. Боуман добавляет: «Маловероятно, что мы когда-либо заглянем в историю первых звезд в нашей жизни».
Озадачивает, однако: провал в профиле поглощения почти в два раза глубже, чем предсказывают теоретические модели. Это не совсем соответствует картине. «Эти результаты требуют некоторых изменений в нашем понимании ранней эволюции нашей Вселенной», - комментирует Колин Лонсдейл из обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института.«Это может повлиять на космологические модели и заставить теоретиков пересмотреть, как это объяснить».
Если это измерение подтвердится, то космическое фоновое излучение должно было быть либо намного горячее, чем предполагалось, либо ранние водородные облака были почти в два раза холоднее, чем предполагалось ранее - всего около трех градусов по Кельвину.
Это вина темной материи?
Но что могло так охладить этот газ? Возможную причину предлагает Реннан Баркана из Тель-Авивского университета во второй статье «Nature». Согласно этому, ранний водород мог остыть из-за взаимодействия с темной материей. «Единственный космический компонент, который может быть холоднее раннего космического газа, - это темная материя», - говорит исследователь.
Для проявления этого охлаждающего эффекта на космический газ, тем не менее, частицы темной материи должны взаимодействовать с газом, и они должны быть лишь немного легче, чем несколько масс протона. Это выведет из игры ранее предпочитаемых вимпов. С другой стороны, другие частицы, рассматриваемые как частицы темной материи, такие как аксионы или стерильные нейтрино, могли бы выполнять это требование.
«Если эта гипотеза подтвердится, то мы узнаем что-то новое и фундаментальное о таинственной темной материи», - говорит Боуман. «Это дало бы нам первое представление о физике за пределами Стандартной модели». Новый взгляд на ранние дни нашего космоса поднимает новые волнующие вопросы и еще раз демонстрирует, что у Вселенной есть несколько сюрпризов.