Как водород превращается в машину времени

Начнём с самого водорода. В обычном атоме водорода есть один протон и один электрон. Если атом не ионизирован, то есть электрон всё ещё связан с протоном, такой водород называют нейтральным. Именно его астрономы обозначают H I.

У нейтрального водорода есть радиолиния с длиной волны около 21 сантиметра. В лабораторной системе отсчёта ей соответствует частота 1420,4 МГц. Когда атом излучает или поглощает радиоволну этой линии, мы можем узнать, что это водород и о том, как он распределён в космосе.

Для таких наблюдений и построили CHIME - канадский радиотелескоп, название которого расшифровывается как Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment. Он состоит из четырёх длинных цилиндрических отражателей и сканирует небо, картируя не отдельные галактики, а распределение водорода на больших масштабах.

CHIME работает в диапазоне 400–800 МГц. Его выбрали, чтобы ловить растянутую расширением Вселенной линию 21 сантиметр при красных смещениях примерно z = 0,8–2,5. Это важная эпоха для измерения того, как расширялась Вселенная и как на это влияла тёмная энергия.

Зачем нужны такие измерения? В распределении галактик и водорода сохранился след древних звуковых волн - барионные акустические осцилляции (БАО) - характерный масштаб, который можно использовать как «стандартную линейку». Измеряя, как этот масштаб выглядит на разных расстояниях и в разные эпохи, астрономы восстанавливают историю расширения Вселенной и проверяют модели тёмной энергии. CHIME должен позволить делать это, измеряя суммарное излучение водорода сразу во множестве галактик, даже если каждую из них по отдельности не удаётся увидеть.

Почему одна и та же линия оказывается на разных частотах? Пока радиоволна летит к нам, расширение Вселенной растягивает её. Чем дальше источник, тем сильнее растяжение, и тем ниже частота, которую мы принимаем. Красное смещение можно оценить по простой формуле:

z = 1420,4 / ν − 1
Здесь ν — наблюдаемая частота в мегагерцах.

Например, если приняли сигнал на 600 МГц:
z = 1420,4 / 600 − 1 ≈ 1,37

Значит, волна растянулась примерно в 2,37 раза (1 + 1,37). При таком красном смещении Вселенной было около 4,6 миллиарда лет. Это получается не просто делением нынешнего возраста на 2,37: возраст вычисляют по модели расширения Вселенной.

А на частоте 313,6 МГц обнаружили линию нейтрального водорода при z ≈ 3,53. В опубликованной работе авторы назвали это рекордом для такого типа наблюдений: водород поглощал радиосигнал далёкого радиоисточника. Тогда Вселенной было около 1,8 миллиарда лет. Замечу, что это наблюдение водорода в конкретной далёкой галактике, а не сигнал от всей ранней Вселенной.

Недавно CHIME зарегистрировал космологический сигнал (спектр мощности крупномасштабной структуры) водорода в диапазоне 608–708 МГц - это красные смещения примерно z = 1,34–1,01, когда Вселенной было около 5–6 миллиардов лет.

После 94 ночей наблюдений сигнал обнаружили со значимостью 12,5 сигма, при пороге в 5 сигма. Это не фотография отдельного облака газа: телескоп измерил статистику неоднородностей (спектр мощности) распределения водорода на больших масштабах, без опоры на каталоги галактик других телескопов.

Наблюдения CHIME должны со временем помочь точнее восстановить, как менялось расширение в предшествующую эпоху, и проверить модели тёмной энергии. Но само обнаружение сигнала пока подтверждает метод измерений, а не даёт нового открытия о природе тёмной энергии.

Получается, частота работает как метка космического времени. Одна и та же линия водорода на разных частотах рассказывает о разных эпохах: чем ниже частота, тем сильнее растянулась волна и тем дальше в прошлое мы заглядываем.

Текст: И. Тирский

P.S. Домашнее задание, угадайте, на какой частоте и красном смещении надо наблюдать нейтральный водород, таким, каким он появился, после Большого Взрыва, и когда это точно произошло?