Благодаря таким обсерваториям, как легендарный космический телескоп «Хаббл» (HST) и его преемник нового поколения — космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST), астрономы наконец получили возможность изучать галактики, существовавшие всего через миллиард лет после Большого взрыва. Этот период получил название «Космическая заря», поскольку именно тогда во Вселенной начали формироваться первые звёзды, объединяясь в протогалактики. Исследование этих древнейших объектов уже принесло множество удивительных и важных открытий, помогающих понять, как возникли и развивались крупномасштабные структуры Вселенной.
Долгое время считалось, что наблюдать этот космологический период возможно только с помощью космических телескопов, которые избавлены от помех земной атмосферы. Однако благодаря современным технологиям — таким как адаптивная оптика, коронографы, интерферометры и спектрометры — наземные телескопы тоже всё дальше раздвигают границы наблюдаемой Вселенной. В последних новостях международная команда астрономов, работающая с прибором Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS), объявила о первом в истории обнаружении излучения космического микроволнового фона (CMB), взаимодействующего с первыми звёздами во Вселенной. Это открытие проливает свет на один из наименее изученных этапов космической истории.
Описание исследования, приведшего к этим результатам, недавно было опубликовано в журнале The Astrophysical Journal. Его возглавил Юнъян Ли — специалист по наблюдательной космологии из Института космологической физики Кавли (Университет Чикаго) и кафедры физики и астрономии имени Уильяма Х. Миллера III в Университете Джонса Хопкинса. В работе также приняли участие его коллеги из JHU, а также астрофизики из Национального института стандартов и технологий, Аргоннской и Лос-Аламосской национальных лабораторий, Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, Массачусетского технологического института (MIT), Космического центра НАСА имени Годдарда и других ведущих научных учреждений.
Изучение эпохи Космической зари всегда представляло собой крайне сложную задачу для астрономов, независимо от того, использовались ли космические или наземные телескопы. В этот период Вселенная была окутана нейтральным водородом, и единственными фотонами, доступными для современных приборов, оставались реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва (CMB), а также фотоны, возникавшие в процессе ионизации нейтральных атомов водорода. Этот процесс был вызван первыми звёздами, сформировавшимися в эпоху Космической зари, которые испускали огромное количество ультрафиолетового (УФ) излучения. Оно приводило к повторной ионизации облаков водорода, высвобождая свободные электроны, которые затем рассеивались и сталкивались с другими частицами. Это событие фактически положило конец эпохе Космических тёмных веков, сделав Вселенную «прозрачной» — то есть доступной для наблюдений с помощью современных инструментов.
Хотя космическое микроволновое излучение обладает очень длинными волнами (порядка нескольких миллиметров) и крайне слабой интенсивностью, поляризованный микроволновый свет (который образуется при рассеянии света на других объектах) слабее примерно в миллион раз. Более того, дополнительную сложность создают помехи земной атмосферы и радиоизлучения, исходящего от спутников, радаров и микроволновых передатчиков. Поэтому для регистрации поляризованного микроволнового излучения даже в идеальных условиях требуется крайне чувствительная аппаратура. Ранее такие наблюдения могли проводить только космические телескопы, такие как WMAP (космическая обсерватория анизотропии микроволнового излучения NASA) и спутник «Планк» Европейского космического агентства.
Именно поэтому Национальный научный фонд США (NSF) профинансировал строительство обсерватории CLASS, расположенной в астрономическом парке Атакама на севере Чили. Этот телескоп специально спроектирован для обнаружения следов первых звёзд в реликтовом излучении Большого взрыва. «Ранее считалось, что такие исследования невозможны с поверхности Земли», — говорит Тобиас Мэридж, руководитель проекта CLASS и профессор физики и астрономии Университета Джонса Хопкинса. — «Астрономия — это наука, в которой возможности всегда ограничены уровнем технологий, а микроволновые сигналы из эпохи Космической зари особенно сложно измерять. Наземные наблюдения сталкиваются с дополнительными трудностями по сравнению с космическими миссиями. Преодоление этих препятствий делает наше измерение действительно значимым достижением».
В своём исследовании команда проверяла вероятность того, что фотон, оставшийся со времён Большого взрыва, столкнулся со свободным электроном, высвобождённым из ионизированного газа, и изменил свою траекторию. Сопоставив данные телескопа CLASS с результатами космических миссий «Планк» и WMAP, учёные выделили помехи и сузили сигнал до поляризованного микроволнового излучения. «Когда солнечный свет отражается от капота машины, создавая блики, это тоже поляризация. Чтобы избавиться от бликов и увидеть чётко, люди надевают поляризационные очки», — объясняет Юнъян Ли. — «Используя новый общий сигнал, мы можем определить, какая часть того, что мы видим, — это своего рода космический "блик", отражение света от "капота" эпохи Космической зари, если можно так выразиться».
Эта работа основана на предыдущем исследовании (опубликованном в прошлом году), в рамках которого команда использовала телескопы CLASS для составления карты 75% ночного неба. Новые результаты подтверждают эффективность подхода команды CLASS и значительно улучшают точность измерения сигнала поляризации реликтового излучения (CMB), что позволяет получить более ясное представление о ранней Вселенной. «Это большой шаг вперёд», — отметил Чарльз Беннетт, профессор Университета Джонса Хопкинса и лауреат стипендии Bloomberg Distinguished, возглавлявший космическую миссию WMAP:
«Более точное измерение сигнала переионизации — это важнейшее направление исследований реликтового микроволнового излучения, — говорит он. — Для нас Вселенная — это своего рода физическая лаборатория. Чем точнее мы сможем измерять её параметры, тем лучше поймём природу тёмной материи и нейтрино — распространённых, но по-прежнему неуловимых частиц, заполняющих Вселенную. Анализируя дополнительные данные, полученные с помощью CLASS, мы рассчитываем достичь максимально возможной точности измерений».