Вселенная далеко не сразу стала светиться привычными нам звёздами. Первые сотни миллионов лет она напоминала огромный тихий океан из холодного водорода и гелия, в котором ещё не возникли источники яркого света.
Этот удивительный период называют тёмными веками — временем, о котором мы много знаем теоретически, но почти ничего не можем увидеть напрямую. И всё же у астрономов появился инструмент, способный "вслушаться" в глубины прошлого: чрезвычайно слабое радиопереключение водорода, известное как линия 21 сантиметра.
Что такое тёмные века и почему они важны
После рекомбинации — момента, когда Вселенная остыла настолько, что электроны и протоны объединились в нейтральные атомы — исчезли яркие источники света. Газ постепенно холодел, его плотные облака ещё не успели сжаться в первые звёзды, а значит, традиционных сигналов, по которым астрономы обычно отслеживают прошлое, просто не существовало, пишет Planet-today.
Но у нейтрального водорода есть уникальная особенность: даже в "спящем" состоянии он способен испускать крайне слабый радиофотон длиной около 21 см. Это происходит из-за перестановки спинов электрона и протона: когда их направления не совпадают, небольшая разница энергии высвобождается в виде радиоволны. Именно этот механизм позволяет увидеть раннее распределение материи там, где не светила ни одна звезда.
Почему линия 21 см так важна для космологии
Эта линия даёт возможность буквально "прочертить карту" огромных водородных массивов. Она обладает фиксированной длиной волны, а значит, её можно отслеживать через эффект Доплера, определяя, как движется газ внутри галактик. Когда-то именно благодаря таким наблюдениям стало понятно, что вращение галактик нельзя объяснить только видимой материей — так возникла идея тёмной материи.
Сейчас тот же метод используют, чтобы изучить эпоху реионизации — переходный период между тёмными веками и появлением первых звёзд. Свет тогда ещё почти не был видимым, а линия 21 см сильно уходила в красную часть спектра. Лишь в последние годы появились приборы, способные фиксировать такой слабый и смещённый сигнал.
Что удалось узнать из новых наблюдений
Недавний анализ данных телескопа Murchison Widefield Array, который более десяти лет изучал слабые радиосигналы в Западной Австралии, позволил составить спектр мощности линии 21 см в эпоху реионизации. Исследователи обнаружили неожиданное: водород начал нагреваться примерно через 800 млн лет после Большого взрыва — задолго до того, как зажглись первые полноценные звёзды.
То есть Вселенная в конце тёмных веков была тёмной, но не холодной. Что-то успевало подогревать межгалактический газ ещё до появления ярких источников света.
Одно из объяснений — рентгеновское излучение ранних чёрных дыр: они могли активно поглощать вещество и испускать высокоэнергетические фотоны, постепенно нагревая окружающий водород. Но возможны и другие механизмы, и новые наблюдения ещё предстоит интерпретировать.
Как учёные "выслушивают" раннюю Вселенную
Накопление данных
Телескопы фиксируют слабейшие радиосигналы годами, ведь мощность линии 21 см чрезвычайно мала.Фильтрация шумов
Сигнал маскируется земными радиопомехами и галактическим фоном. Команды применяют сложные алгоритмы очистки.Сравнение разных временных слоёв
Так как сигнал смещён в красную сторону спектра, учёные "раскатывают" данные во времени, оценивая изменения на миллиардных масштабах.Выявление нагрева
По форме спектра мощности можно определить, был ли водород холодным или тёплым в конкретный период.Сопоставление с моделями
Наблюдения сравнивают с компьютерными симуляциями формирования первых структур.
Популярные вопросы
Можно ли увидеть тёмные века обычным телескопом?
Нет. В то время не было источников видимого света, поэтому оптические телескопы бессильны.
Почему именно 21 см?
Это длина волны фотона, возникающего при смене спиновой ориентации электрона в атоме водорода.
Когда появились первые звёзды?
Примерно через 200-300 млн лет после Большого взрыва — уже после того, как водород начал нагреваться.
Что доказывает нагрев водорода до звёзд?
То, что существовали другие источники энергии, возможно — чёрные дыры или первые мини-квазары.