Odebrali poświatę sprzed miliardów lat. Może zdradzić wielki sekret Wszechświata

Naukowcy odebrali niezwykle słaby sygnał pochodzący z czasów, gdy Wszechświat miał zaledwie około 5 mld lat. Przez kolejne miliardy lat promieniowanie przemierzało kosmos, aż dotarło do kanadyjskiego radioteleskopu CHIME. Jego wykrycie może pomóc w rozwiązaniu jednej z największych zagadek współczesnej fizyki: czym jest ciemna energia, która odpowiada za przyspieszające rozszerzanie się Wszechświata.

Najważniejsze jest to, że astronomowie nie potrzebowali danych z innych teleskopów, aby potwierdzić obecność pradawnego wodoru. Sygnał udało się wydobyć z ogromnej ilości zakłóceń, wykorzystując wyłącznie obserwacje CHIME. To otwiera drogę do znacznie dokładniejszego badania historii kosmosu bez konieczności rozpoznawania każdej odległej galaktyki osobno.

Odkrycia dokonał międzynarodowy zespół CHIME Collaboration, zrzeszający naukowców m.in. z University of British Columbia, University of Toronto, McGill University oraz Arizona State University. Badacze przeanalizowali dane zebrane podczas 94 nocy obserwacyjnych w 2019 r. i znaleźli w nich ślad promieniowania neutralnego wodoru pochodzącego z odległej przeszłości.

Wykrycie takiego sygnału nie jest łatwe. Wodór emituje niezwykle słabe promieniowanie radiowe, które podczas podróży przez Wszechświat miesza się z sygnałami pochodzącymi od galaktyk, naszej Drogi Mlecznej oraz urządzeń elektronicznych na Ziemi. Do tego dochodzą zakłócenia wytwarzane przez samą aparaturę pomiarową.

W efekcie poszukiwany sygnał jest ukryty w danych, w których znacznie jaśniejsze źródła potrafią całkowicie zdominować obserwacje. Naukowcy musieli więc opracować sposoby oddzielania promieniowania wodoru od pozostałych emisji, nie usuwając przy okazji tego, co chcieli zmierzyć.

W badaniu opublikowanym w The Astrophysical Journal zespół przedstawił detekcję o istotności statystycznej 12,5 sigma. To bardzo wysoki poziom pewności, że zaobserwowany wynik nie jest przypadkową fluktuacją danych. Naukowcy przez ponad rok sprawdzali również, czy nie mają do czynienia z błędem analizy lub zakłóceniem pochodzącym z aparatury.

Ostatecznie potwierdzili, że zarejestrowane promieniowanie pochodzi z epoki, kiedy Wszechświat miał około 5 mld lat. Oznacza to, że sygnał podróżował do nas przez mniej więcej 9 mld lat.

Kluczem do odkrycia jest promieniowanie nazywane linią 21 cm. Powstaje ono w neutralnych atomach wodoru, gdy dochodzi do niewielkiej zmiany wzajemnego ustawienia spinów protonu i elektronu. Energia uwalniana podczas tego procesu jest bardzo mała, ale odpowiada ściśle określonej częstotliwości radiowej wynoszącej około 1420 MHz.

Pojedynczy atom emituje taki sygnał niezwykle rzadko. Wodór jest jednak najpowszechniejszym pierwiastkiem we Wszechświecie, dlatego wspólne promieniowanie ogromnych ilości gazu jest w ogóle możliwe do wykrycia.

Ponieważ przestrzeń kosmiczna się rozszerza, długość fali promieniowania rośnie podczas jego podróży. Im dawniej sygnał został wysłany, tym większe jest jego przesunięcie ku czerwieni, a więc tym niższa częstotliwość dociera do naszych instrumentów. CHIME zarejestrował promieniowanie w zakresie od około 608 do 708 MHz. Właśnie ta zmiana pozwoliła astronomom określić epokę, z której pochodzi sygnał.

Co ważne, nie trzeba przy tym wskazywać jednej konkretnej galaktyki. Można mierzyć łączną emisję wodoru pochodzącą z ogromnych obszarów przestrzeni. To metoda określana jako mapowanie intensywności promieniowania, która pozwala badać rozmieszczenie materii nawet tam, gdzie poszczególne galaktyki są zbyt słabe, żeby obserwować je oddzielnie.

CHIME znajduje się niedaleko Penticton w kanadyjskiej Kolumbii Brytyjskiej. Jego konstrukcja znacznie odbiega od typowego radioteleskopu. Zamiast wielkiej ruchomej czaszy wykorzystuje cztery nieruchome, podłużne reflektory o wymiarach około 100 na 20 m każdy.

Teleskop nie musi obracać się w kierunku kolejnych obiektów. Wykorzystuje ruch obrotowy Ziemi i każdego dnia obserwuje ogromną część północnego nieba. Pozwala to systematycznie gromadzić dane o tych samych obszarach przestrzeni.

Dotychczas CHIME potrafił wykrywać promieniowanie neutralnego wodoru z odległego Wszechświata, ale potrzebował do tego informacji z innych przeglądów astronomicznych. Naukowcy porównywali własne pomiary radiowe z położeniami galaktyk wyznaczonymi wcześniej za pomocą innych instrumentów.

Teraz pokazali, że potrafią wykryć statystyczny sygnał rozmieszczenia wodoru bez takiej pomocy. Dzięki temu będziemy mogli korzystać z radiowych map również w obszarach, dla których brakuje wystarczająco dokładnych katalogów galaktyk.

Na Spider’s Web opisywaliśmy niedawno podobne osiągnięcie południowoafrykańskiego radioteleskopu MeerKAT. Tam również udało się samodzielnie wykryć wspólny sygnał neutralnego wodoru, ale pochodził on z innej epoki i został uzyskany za pomocą odmiennego instrumentu. Nowość nie polega więc na pierwszym w historii wykorzystaniu tej metody. Sukces CHIME pokazuje natomiast, że można ją skutecznie stosować do badania bardziej odległych okresów i prowadzić takie obserwacje w ramach regularnego przeglądu nieba.

Najważniejszym celem naukowców nie jest jednak samo odnalezienie wodoru. Chodzi przede wszystkim o zrozumienie tego, dlaczego Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Od końca lat 90. astronomowie wiedzą, że tempo kosmicznej ekspansji nie maleje w sposób, którego można byłoby oczekiwać na podstawie samej grawitacji materii. Przeciwnie, obserwacje wskazują na przyspieszanie rozszerzania się przestrzeni.

Za zjawisko to ma odpowiadać ciemna energia, której przypisuje się około 68 proc. całkowitego bilansu masy i energii Wszechświata. Problem polega na tym, że nadal nie wiadomo, czym dokładnie jest ani czy jej właściwości pozostają niezmienne w czasie.

W standardowym modelu kosmologicznym najprostszym rozwiązaniem jest stała kosmologiczna, która ma niezmienną gęstość energii. Jednak część nowszych pomiarów sugeruje możliwość bardziej złożonego zachowania tego składnika.

Niedawno opisywaliśmy na naszym portalu wyniki obserwacji supernowych, które dostarczyły kolejnych wskazówek, że ciemna energia może zmieniać się wraz z ewolucją Wszechświata. Nie jest to jeszcze rozstrzygający dowód, dlatego naukowcy potrzebują nowych, niezależnych metod weryfikowania dotychczasowych modeli.

Tutaj właśnie pojawia się wodór. Jego rozmieszczenie pozwala odtwarzać wielkoskalową strukturę Wszechświata i badać, jak zmieniała się ona w kolejnych epokach. Dokładne porównanie takich map może w przyszłości dostarczyć informacji o historii kosmicznej ekspansji, a tym samym o możliwym wpływie ciemnej energii.

Badacze nie poprzestali jednak na samym potwierdzeniu obecności pradawnego promieniowania. W drugim badaniu przeanalizowali, co uzyskany sygnał mówi o ilości oraz rozmieszczeniu neutralnego wodoru.

Z ich oszacowań wynika, że w badanej epoce około 2 proc. wodoru występowało w neutralnej postaci atomowej. Wynik jest zasadniczo zgodny z wcześniejszymi pomiarami, ale dostarcza dodatkowych informacji o sposobie skupiania się gazu w kosmicznych strukturach.

Co ciekawe, porównanie z symulacjami IllustrisTNG ujawniło pewne rozbieżności. Zaobserwowany rozkład promieniowania nie odpowiada dokładnie przewidywaniom komputerowych modeli zachowania wodoru. Naukowcy podejrzewają, że przyczyną mogą być niedokładności w odwzorowaniu ruchów gazu i jego skupiania się w mniejszych strukturach.

Nie jest to jednak dowód na błędność standardowego modelu kosmologicznego ani na zmienność ciemnej energii. Jasno pokazuje natomiast, że nowa metoda może dostarczać informacji pozwalających udoskonalać symulacje powstawania i ewolucji galaktyk.

Dotychczasowa analiza wykorzystuje zaledwie niewielki fragment obserwacji CHIME. Radioteleskop zebrał już prawie 7 lat danych, które dopiero czekają na pełne wykorzystanie w tego rodzaju badaniach.

Naukowcy planują rozszerzyć pomiary na jeszcze odleglejsze epoki, kiedy Wszechświat miał około 3 mld lat. Dzięki temu mogliby dokładniej odtworzyć rozmieszczenie neutralnego wodoru na kolejnych etapach formowania się wielkich struktur kosmicznych.

Przeczytaj także:

Najważniejszym wyzwaniem pozostaje teraz oddzielenie bardzo słabej emisji wodoru od znacznie jaśniejszych sygnałów radiowych. Potrzebna będzie także odpowiednia dokładność pomiarów, aby na ich podstawie badać subtelne zmiany tempa ekspansji Wszechświata.

*Źródło grafiki wprowadzającej: CHIME Collaboration