Радиотелескоп MeerKAT впервые напрямую измерил распределение космического водорода на больших масштабах
iXBT.com ·
Международная коллаборация MeerKLASS впервые напрямую измерила спектр мощности нейтрального водорода на космологических масштабах — без привязки к каталогам известных галактик. Результат получен с помощью южноафриканского радиотелескопа MeerKAT и позволяет изучать распределение газа, из которого формируются галактики, как самостоятельный элемент крупномасштабной структуры Вселенной. Значимость обнаружения составила 6,2 сигма.
Учёные использовали метод картирования интенсивности 21-сантиметрового излучения. Нейтральный водород испускает радиоволны на длине волны 21 см, и их частота меняется из-за расширения Вселенной. Вместо того чтобы различать отдельные галактики, астрономы измеряют суммарное излучение водорода в больших участках неба. Полученные карты позволяют восстановить распределение газа и проследить его скопления и разреженные области, связанные с космической паутиной — сетью галактик и соединяющих их нитей вещества.
Для анализа команда использовала наблюдения 2021 года: радиотелескоп охватил около 236 квадратных градусов неба, а исследуемый сигнал пришёл из области Вселенной с красным смещением около 0,42. Это соответствует эпохе примерно 4,5 млрд лет назад. Излучение регистрировали в диапазоне частот от 971 до 1024 МГц. Главная трудность заключалась в отделении слабого сигнала водорода от гораздо более ярких радиоисточников и помех, включая излучение Млечного Пути и эффекты самого инструмента.
Чтобы отличить космологический сигнал от ошибок измерений, исследователи разделили наблюдения на четыре независимые подвыборки. Каждую обрабатывали отдельно, удаляя посторонние компоненты, а затем сравнивали полученные карты и их спектры. Такой подход позволил подавить некоррелированный инструментальный шум и проверить, сохраняется ли общая структура сигнала в независимых наборах данных. В итоге команда получила измерение спектра мощности — статистической характеристики того, насколько сильно распределение водорода меняется на разных пространственных масштабах.
Важное отличие этой работы от предыдущих результатов состоит в том, что команда измерила собственный спектр мощности излучения нейтрального водорода, а не только его связь с положениями уже известных галактик. Авторы получили оценку амплитуды кластеризации, зависящую от космической плотности водорода и его линейного смещения относительно распределения материи. Это открывает возможность использовать газ как самостоятельный инструмент картирования крупномасштабной структуры Вселенной.
Пока измерение охватывает ограниченный диапазон масштабов, а обработка данных всё ещё требует контроля остаточных помех и потерь космологического сигнала. В частности, авторы отмечают, что некоторые спектры отдельных подвыборок содержат избыточную мощность, связанную с не до конца устранёнными систематическими эффектами. Поэтому для итогового результата они выбрали более консервативное сочетание независимых измерений. Тем не менее обнаружение подтверждает, что метод способен выделять сигнал водорода без внешнего каталога галактик.
В перспективе картирование 21-сантиметрового излучения поможет точнее измерять распределение вещества и исследовать историю расширения Вселенной. Такие данные могут дополнить наблюдения оптических обзоров, в том числе при изучении тёмной материи и тёмной энергии. MeerKAT служит предшественником будущей обсерватории Square Kilometre Array (SKA), и отработка метода на его данных — важный шаг к более масштабным радиообзорам космоса.