Водород как ключ к разгадке тёмной энергии: новый метод CHIME

Водород может быть самым распространённым элементом в космосе, но учёные могут использовать его для чего-то уникального: раскрытия природы тёмной энергии — загадочной силы, движущей ускоренное расширение Вселенной.

Это новое направление исследований тёмной энергии основано на том, что исследователи установили: проект CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment — Канадский эксперимент по картографированию интенсивности водорода) способен обнаруживать слабое радиоизлучение водорода из далёкого прошлого Вселенной.

Это не только представляет собой более быстрый и значительно более дешёвый способ исследования тёмной энергии, но и является важной вехой для CHIME. Инструмент был специально разработан для изучения тёмной энергии и её вездесущего влияния.

«Это совершенно новый метод зондирования космоса, реализованный инструментом, который был задуман и построен канадцами, — заявил в пресс-релизе главный исследователь CHIME Марк Халперн из Университета Британской Колумбии. — Это смелый новый шаг в глобальной космологической программе и канадская история успеха».

Почему тёмная энергия так проблематична?

Тёмная энергия — это загадочная сила, которая ускоряет расширение Вселенной. Она настолько проблематична для учёных, потому что начала действовать на ткань пространства только после того, как расширение, вызванное Большим взрывом, остановилось.

Это сродни тому, как если бы вы толкнули ребёнка на качелях, увидели, что качели остановились, а затем заметили, что они снова начали двигаться без толчка. И не только это: качели начинают раскачиваться всё быстрее и быстрее. Представьте учёных в роли очень обеспокоенных родителей, которые действительно хотели бы знать, откуда взялся этот призрачный толчок и как он будет продолжаться.

Так же как, если толчок качелей продолжится, ребёнок может оказаться в кустах или на орбите, усиление тёмной энергии может привести к «холодной смерти» космоса или даже к сценарию «Большого разрыва», при котором пространство разрывается на части. С другой стороны, если она ослабнет и позволит гравитации вернуть господство, Вселенная может схлопнуться обратно в себя, что приведёт к «Большому сжатию» — финалу, при котором космос сжимается обратно в сингулярность, какой он был в начале времён.

Тёмная энергия в настоящее время является доминирующим элементом Вселенной, составляя 68% её материально-энергетического баланса. Неудивительно, что учёные очень хотят узнать, что представляет собой эта загадочная сила.

Как водород может помочь в исследовании тёмной энергии?

«Водород — самый распространённый элемент во Вселенной и исходный материал, из которого формируются звёзды, — сказал член команды Арнаб Чакраборти из Университета Торонто. — Его слабое радиоизлучение действует как космический трассер, раскрывая, как материя распределена в пространстве».

Ранее CHIME мог картографировать распределение водорода в ранней Вселенной, но только путём кросс-корреляции своих наблюдений с данными галактических обзоров других телескопов — операций, которые стоят миллионы долларов и могут фокусироваться только на областях Вселенной, достаточно плотных для формирования звёзд. Теперь CHIME показал, что может картографировать радиоизлучение водорода полностью самостоятельно.

Действительно, команда уже начала делать шаги в этом направлении, используя лишь крошечную часть существующих данных CHIME. Используя 94 ночи наблюдений с 2019 года, они обнаружили сигнал водорода от времени, когда Вселенной было всего 5 миллиардов лет.

«Наши данные указывают на то, что примерно 2% водорода во Вселенной в это время находилось в нейтральной атомарной форме, что в целом согласуется с другими измерениями, — сказал член команды Шаббир Шайх из Университета штата Аризона. — Измеряя, как этот водород распределён и кластеризован, CHIME даёт нам новый способ проверить наше понимание того, как формируются и эволюционируют галактики».

CHIME уже собрал семь лет данных, и, используя их, команда надеется исследовать распределение водорода вплоть до 3 миллиардов лет после Большого взрыва.

Исследование команды было опубликовано в двух статьях в The Astrophysical Journal.