Исследователи смогли сделать некоторые ключевые выводы о первых существующих галактиках в одном из первых астрофизических исследований космического рассвета, периода в ранней Вселенной, когда сформировались первые звезды и галактики. Используя данные индийского радиотелескопа SARAS3, команда под руководством Кембриджского университета смогла изучить очень раннюю Вселенную, всего через 200 миллионов лет после Большого взрыва, и установить ограничения на массу и выходную энергию первых звезд и галактик.
Вопреки интуиции, исследователи смогли наложить эти ограничения на самые ранние галактики, не обнаружив сигнала, который они искали, известного как 21-сантиметровая водородная линия. Это необнаружение позволило исследователям сделать другие выводы о космическом рассвете, наложив ограничения на первые галактики, что позволило им исключить сценарии, включая галактики, которые были неэффективными нагревателями космического газа и эффективными производителями радиоизлучения.
Хотя мы еще не можем напрямую наблюдать эти ранние галактики, результаты, опубликованные в журнале Nature Astronomy, представляют собой важный шаг в понимании того, как наша Вселенная превратилась из почти пустой в одну, полную звезд.
Понимание ранней Вселенной, когда сформировались первые звезды и галактики, является одной из основных целей новых обсерваторий. Результаты, полученные с использованием данных SARAS3, являются экспериментальным исследованием, открывающим путь к пониманию этого периода в развитии Вселенной.
Проект SKA, включающий два телескопа следующего поколения, которые должны быть завершены к концу десятилетия, вероятно, сможет сделать изображения ранней Вселенной, но для нынешних телескопов задача состоит в том, чтобы обнаружить космологический сигнал первых звезд.
Этот сигнал известен как 21-сантиметровая линия — радиосигнал, создаваемый атомами водорода в ранней Вселенной. В отличие от недавно запущенного JWST, который сможет непосредственно отображать отдельные галактики в ранней Вселенной, исследования 21-сантиметровой линии, проведенные с помощью радиотелескопов, таких как REACH под руководством Кембриджа, может рассказать нам о целых популяциях еще более ранних галактик. Первые результаты REACH ожидаются в начале 2023 года.
Чтобы обнаружить 21-сантиметровую линию, астрономы ищут радиосигнал, создаваемый атомами водорода в ранней Вселенной, на который воздействовал свет первых звезд и излучение, стоящее за водородным туманом. Ранее в этом году те же исследователи разработали метод, который, по их словам, позволит им видеть сквозь туман ранней Вселенной и обнаруживать свет от первых звезд. Некоторые из этих методов уже применялись на практике в текущем исследовании.
В 2018 году другая исследовательская группа, проводившая эксперимент EDGES, опубликовала результат, намекающий на возможное обнаружение этого самого раннего света. Сообщенный сигнал был необычно сильным по сравнению с тем, что ожидается в простейшей астрофизической картине ранней Вселенной. Недавно данные SARAS3 оспорили это обнаружение: результат EDGES все еще ожидает подтверждения независимыми наблюдениями.
При повторном анализе данных SARAS3 команда под руководством Кембриджа проверила множество астрофизических сценариев, которые потенциально могли бы объяснить результат EDGES, но не нашли соответствующего сигнала. Вместо этого команда смогла наложить некоторые ограничения на свойства первых звезд и галактик. Результаты анализа SARAS3 — это первый случай, когда радионаблюдения усредненной 21-сантиметровой линии смогли дать представление о свойствах первых галактик в виде пределов их основных физических свойств.
Работая с коллегами из Индии, Австралии и Израиля, команда из Кембриджа использовала данные эксперимента SARAS3 для поиска сигналов космического рассвета, когда формировались первые галактики. Используя методы статистического моделирования, исследователи не смогли найти сигнал в данных SARAS3.
Наблюдательное исследование, во многих отношениях первое в своем роде, исключает сценарии, в которых самые ранние галактики были более чем в тысячу раз ярче современных галактик в своем радиодиапазонном излучении и плохо нагревали газообразный водород.
Полученные данные также показывают то, на что уже намекали ранее, а именно то, что первые звезды и галактики могли внести ощутимый вклад в фоновое излучение, появившееся в результате Большого взрыва и с тех пор приближающееся к нам.