Ученые впервые зафиксировали свет первых звезд с Земли

Впервые ученые использовали наземные телескопы, чтобы заглянуть в эпоху космического рассвета — период более 13 миллиардов лет назад, когда свет первых звезд начал преобразовывать нашу Вселенную.

Остаточное излучение этого древнего периода имеет длину волны в миллиметры и крайне слабое. Хотя космические обсерватории уже могли наблюдать его, наземные телескопы раньше не могли уловить этот сигнал из-за помех от электромагнитного излучения земной атмосферы.

Но теперь, используя специально разработанный телескоп, ученые проекта Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) обнаружили следы, оставленные первыми звездами в реликтовом излучении Большого Взрыва. Результаты исследования были опубликованы 11 июня в журнале The Astrophysical Journal.

«Люди считали, что это невозможно сделать с Земли, — сказал соавтор исследования Тобиас Мэрридж, руководитель проекта CLASS и профессор физики и астрономии Университета Джонса Хопкинса. — Астрономия — это область, ограниченная технологиями, а микроволновые сигналы Космического Рассвета известны своей сложностью для измерения. Наземные наблюдения сталкиваются с дополнительными трудностями по сравнению с космическими. Преодоление этих препятствий делает данное достижение значительным».

Обсерватория CLASS расположена на высоте 16 860 футов (5 138 метров) в пустыне Атакама в Чили. Телескоп, получивший «первый свет» в 2016 году, настроен на изучение неба в микроволновом диапазоне. Помимо возможности картографировать 75% ночного неба, его беспрецедентная чувствительность позволяет улавливать сигналы от космического рассвета — первых миллиардов лет жизни Вселенной.

Как формировался свет первых звезд?

В первые 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная была заполнена настолько плотным облаком электронов, что свет не мог пройти сквозь него. Однако по мере расширения и охлаждения космоса электроны соединились с протонами, образуя атомы водорода.

Эти атомы не только позволили свету с микроволновой длиной волны свободно распространяться (сформировав реликтовое излучение, CMB), но и, в наиболее плотных областях, начали коллапсировать под действием гравитации, порождая первые звезды. Их свет реионизировал окружающий водород, высвобождая электроны, которые сталкивались с фотонами CMB, вызывая его поляризацию.

Именно этот поляризованный сигнал является ключевым элементом в понимании ранней Вселенной. Без него наша картина останется неполной.

Хотя предыдущие космические миссии, такие как WMAP (NASA) и Planck (ESA), частично заполнили этот пробел, их данные содержали шумы, а сами телескопы, будучи спутниками, не могли быть модернизированы после запуска.

«Более точное измерение этого сигнала реионизации — важный рубеж в исследовании реликтового излучения», — отметил соавтор Чарльз Беннетт, профессор физики в Университете Джонса Хопкинса и руководитель миссии WMAP.

Чтобы получить результаты, ученые сопоставили данные CLASS с информацией от Planck и WMAP, выделив общий сигнал поляризованного микроволнового излучения.

«Для нас Вселенная — как физическая лаборатория. Более точные измерения помогают глубже понять природу темной материи и нейтрино — загадочных частиц, заполняющих космос», — добавил Беннетт. — Дальнейший анализ данных CLASS позволит достичь максимально возможной точности».

Что дальше?

Ученые планируют продолжить наблюдения, чтобы уточнить параметры ранней Вселенной и раскрыть новые тайны ее эволюции. Этот прорыв открывает путь для новых наземных исследований эпохи первых звезд, которые раньше считались недоступными без космических аппаратов.