Сигнал от нейтрального водорода удалось выделить на участке неба площадью 236 квадратных градусов, несмотря на то что его перекрывают источники гораздо более сильного радиоизлучения
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.
Источник изображения: MeerKLASS
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.
