Розуміння того, як Всесвіт переходив від темряви до світла з утворенням перших зірок і галактик, є ключовим поворотним моментом у розвитку Всесвіту, відомим як Космічний Світанок. Однак, навіть за допомогою найпотужніших телескопів ми не можемо безпосередньо спостерігати ці найдавніші зірки, тому визначення їхніх властивостей є одним з найбільших викликів в астрономії. Тепер міжнародна група астрономів під керівництвом Кембриджського університету показала, що ми зможемо дізнатися про маси найдавніших зірок, вивчаючи специфічний радіосигнал, створений атомами водню, що заповнюють проміжки між областями зореутворення, який виник лише через сто мільйонів років після Великого вибуху.
Вивчаючи, як перші зірки та їхні залишки вплинули на цей сигнал, який називають 21-сантиметровим сигналом, дослідники показали, що майбутні радіотелескопи допоможуть нам зрозуміти дуже ранній Всесвіт і те, як він перетворився з майже однорідної маси, що складалася переважно з водню, на неймовірну складність, яку ми бачимо сьогодні. Їхні результати опубліковані в журналі Nature Astronomy.
«Це унікальна можливість дізнатися, як перше світло Всесвіту виникло з темряви», – сказала співавтор дослідження, професор Анастасія Фіалкова з Кембриджського інституту астрономії. «Перехід від холодного, темного Всесвіту до Всесвіту, наповненого зірками, – це історія, яку ми тільки починаємо розуміти».
Вивчення найдавніших зірок Всесвіту базується на слабкому світінні 21-сантиметрового сигналу – ледь помітного енергетичного сигналу, що виник понад 13 мільярдів років тому. Цей сигнал, на який впливає випромінювання ранніх зірок і чорних дір, надає рідкісну можливість зазирнути в зародковий період Всесвіту.
Фіалков очолює теоретичну групу REACH (Радіоексперимент з аналізу космічного водню). REACH — це радіоантена, один із двох основних проектів, які можуть допомогти нам дізнатися про Космічний світанок та Епоху реіонізації, коли перші зірки реіонізували нейтральні атоми водню у Всесвіті.
Хоча REACH, який фіксує радіосигнали, все ще перебуває на стадії калібрування, він обіцяє розкрити дані про ранній Всесвіт. Тим часом Square Kilometer Array (SKA) – масивний масив антен, що будується – картографуватиме коливання космічних сигналів у величезних областях неба. Обидва проекти є життєво важливими для дослідження мас, світностей та розподілу найдавніших зірок Всесвіту. У поточному дослідженні Фіалкова, яка також є членом SKA, та її колеги розробили модель, яка робить прогнози для 21-сантиметрового сигналу як для REACH, так і для SKA, і виявила, що сигнал чутливий до мас перших зірок.
«Ми — перша група, яка послідовно моделює залежність 21-сантиметрового сигналу від мас перших зірок, включаючи вплив ультрафіолетового світла зірок та рентгенівського випромінювання від рентгенівських подвійних систем, що утворюються, коли перші зірки вмирають», — сказав Фіалков, який також є членом Кембриджського інституту космології імені Кавлі. «Ці висновки отримані в результаті симуляцій, які інтегрують первісні умови Всесвіту, такі як склад водню та гелію, що утворився в результаті Великого вибуху».
Розробляючи свою теоретичну модель, дослідники вивчали, як 21-сантиметровий сигнал реагує на розподіл маси перших зірок, відомих як зірки III популяції. Вони виявили, що попередні дослідження недооцінювали цей зв’язок, оскільки не враховували кількість та яскравість рентгенівських подвійних систем — подвійних систем, що складаються з нормальної зірки та зірки, що згорнулася — серед зірок III популяції, а також те, як вони впливають на 21-сантиметровий сигнал.
На відміну від оптичних телескопів, таких як космічний телескоп імені Джеймса Вебба, які фіксують яскраві зображення, радіоастрономія спирається на статистичний аналіз слабких сигналів. REACH та SKA не зможуть зображувати окремі зірки, а натомість надаватимуть інформацію про цілі групи зірок, рентгенівські подвійні системи та галактики.
«Потрібно трохи уяви, щоб пов’язати радіодані з історією перших зірок, але наслідки цього є глибокими», – сказав Фіалков. «Прогнози, про які ми повідомляємо, мають величезне значення для нашого розуміння природи найперших зірок у Всесвіті», — сказав співавтор доктор Елой де Лера Аседо, головний дослідник телескопа REACH та керівник проекту SKA в Кембриджі. «Ми показуємо докази того, що наші радіотелескопи можуть розповісти нам деталі про масу цих перших зірок і про те, як ці ранні світила могли дуже відрізнятися від сучасних зірок».
