Ученые Института космологии Кавли в Кембридже раскрыли предполагаемые свойства самых первых галактик, появившихся в ранней Вселенной, во времена «космического рассвета», более 13 миллиардов лет назад. Для этого они смоделировали различные сценарии, чтобы объяснить загадочное древнее радиоизлучение. Подробно о результатах научной работы рассказывается в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy.
Исследователи проанализировали данные радиотелескопа SARAS3, который ранее проводил поиск радиолинии нейтрального водорода на больших красных смещениях z = 17. Радиолиния нейтрального водорода, или линия 21 см, представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое атомом водорода, когда спин электрона становится антипараллельным спину протона. Переход в более энергетическое состояние, когда спин электрона является параллельным, происходит под влиянием квантов электромагнитного излучения большей энергии, например, света звезд.
В 2018 году коллаборация EDGES Low-Band сообщила об обнаружении линии 21 см на красном смещении z = 17, которое соответствует времени путешествия света до Земли, равному 13,4 миллиарда лет, и возрасту Вселенной 230 миллионов лет после Большого взрыва. Это гораздо раньше, чем предполагаемая эпоха реионизации, когда свет от первых звезд, квазаров и галактик начинает ионизировать облака водорода, заполняющих Вселенную. Открытие сильного радиосигнала 21 см могло означать, что история межгалактического газа на самом деле не вписывается в современную космологическую модель, однако более поздние наблюдения с помощью SARAS3 оспорили такое объяснение.
В новой работе исследователи проверили несколько более стандартных астрофизических сценариев, которые могли бы объяснить результаты наблюдений EDGES. Ученые обратили внимание на потенциальную популяцию радиосветящихся галактик с большим красным смещением z ≈ 20 (200 миллионов лет после Большого взрыва), которые явно вносят вклад в фоновое радиоизлучение, влияя тем самым на радиолинию нейтрального водорода. Но только при чрезвычайно высоких значениях радиосветимости их вклад может стать достаточно велик, чтобы объяснить сигнал EDGES.
Моделирование позволило исключить несколько вариантов, которые не воспроизводят наблюдаемую картину. Например, сигнал EDGES не может быть порожден радиосветящимися галактиками, находящимися в гало темной материи, с массами от 440 тысяч до 11 миллионов масс Солнца; галактиками, в которых более пяти процентов газа участвует в звездообразовании; а также галактиками, чья радиосветимость более чем в тысячу раз больше, чем у современных галактик. Также исследователи исключили сценарий, при котором сигнал линии 21 см был порожден синхротронным излучением (возникает, когда электроны перемещаются по кривым траекториям в магнитном поле), которое превышает космический микроволновый фон более чем на шесть процентов.