Ограничения имеют решающее значение в любом научном предприятии. Если гипотеза предсказывает, что должно быть наблюдаемое явление, но нет никаких его следов, это довольно четкий признак того, что гипотеза неверна. И даже ложные гипотезы все равно двигают науку вперед. То же самое и с астрономией и, в частности, с исследованиями ранней Вселенной. Статья, написанная исследователями из Кембриджа и их коллегами, накладывает особенно полезное ограничение на развитие ранних галактик, что в последнее время является горячей темой в астрономии.
Одна из причин, по которой эта горячая тема стала горячей, заключается в том, что мы впервые начинаем получать телескопы, способные заглянуть так далеко назад. Космический телескоп Джеймса Уэбба породил большие надежды на то, что он сможет заглянуть в прошлое к самым ранним звездам. Однако, хотя этот инструмент все еще находится на этапе сбора данных, множество других высокопроизводительных телескопов также могут дать некоторую информацию.
Одним из них является радиотелескоп SARAS3, который развернут над озером в Индии. Он отслеживал часть света, исходящего от самых ранних галактик, и предоставлял данные команде из Кембриджа, которые анализировали их в поисках одной определяющей особенности.
Известная как линия водорода длиной 21 см, это спектр, который излучает водород, когда его электрон меняет состояние. Он постоянно использовался в космологии ранней Вселенной с момента его открытия в 1940-х годах, в основном потому, что он может пробиться сквозь облачную пыль, окутывающую объем ранней Вселенной. Эта способность также делает его способным без особых усилий проходить через атмосферу Земли, что позволяет легко обнаруживать его наземным телескопом, таким как SARAS3.
Что было примечательно в кембриджской статье, так это отсутствие 21-сантиметровой линии. На самом деле эта общая линия, столь широко используемая в других разделах космологии, казалось, отсутствовала в галактиках, существовавших всего через 200 миллионов лет после Большого взрыва.
С этим ограничением авторы смогли сделать две вещи. Один из них опроверг предварительный вывод другой исследовательской группы. Другой определял некоторые важные характеристики этих галактик.
Другая исследовательская группа, возглавляемая Аризонским государственным университетом и Массачусетским технологическим институтом, в 2018 году опубликовала еще одну статью с использованием данных радиотелескопа EDGES в Австралии. В этой статье подробно описывалось возможное обнаружение части света от самых ранних галактик во Вселенной. Это также подорвало одну из ранних моделей космологического расширения, которая не ожидала такого обнаружения. Теперь данные из этой новой статьи ставят под сомнение этот вывод, хотя все еще необходимо дополнительное независимое подтверждение этого.
При определении характеристик галактик одним из решающих факторов является их яркость. Отсутствие 21-сантиметровой линии указывает на простой факт — они были не очень яркими. Или, по крайней мере, не в тысячи раз ярче, чем современные галактики. Если бы это было так, 21-сантиметровая линия должна была иметь достаточную мощность, чтобы быть видимой сквозь дымку и обнаруживаемой в данных SARAS3. Другие ограничения, подробно описанные в статье, включают массы этих галактик, а также их эффективность при нагреве водорода.
Все это означает для космологии просто то, что требуется больше данных, и вскоре появятся два эксперимента, которые должны их предоставить. В дополнение к JWST существует проект под названием «Радиоэксперимент по анализу космического водорода» (REACH), результаты которого, как ожидается, будут представлены где-то в следующем году. До тех пор астрономы собирают более четкую картину ранней Вселенной, даже если это происходит из-за отсутствия ожидаемого сигнала.