Сигнал возрастом 9 миллиардов лет может помочь объяснить тёмную энергию

Впервые эксперимент по картированию водорода в радиодиапазоне Канады (CHIME) продемонстрировал, что он способен обнаружить чрезвычайно слабое радиосвечение атомарного водорода из далёкой Вселенной, используя только собственные наблюдения.

Этот результат может дать учёным более быстрый и менее затратный способ исследования тёмной энергии — по-прежнему загадочного феномена, который, как считается, ускоряет расширение Вселенной. Понимание тёмной энергии остаётся одной из крупнейших нерешённых проблем современной физики. Достижение также является важной вехой для CHIME, который изначально проектировался с возможностью выполнения такого типа измерений. Результаты опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

«Водород — самый распространённый элемент во Вселенной и исходный материал, из которого формируются звёзды», — сказал соавтор доктор Арнаб Чакраборти, постдок Университета Торонто, который первым предложил это открытие. «Его слабое радиоволновое излучение действует как космический трассер, показывая, как распределена материя в пространстве».

Учёные выдвигали конкурирующие объяснения природы тёмной энергии. Поскольку CHIME теперь может выполнять эти измерения использование собственных данных, исследователи могут независимо проверять эти идеи и собирать доказательства, которые могут поддержать или опровергнуть существующие теории.

«Это совершенно новая техника исследования космоса, реализованная инструментом, который был задуман, построен и профинансирован канадцами», — сказал соавтор доктор Марк Халперн, профессор кафедры физики и астрономии Университета Британской Колумбии и главный исследователь CHIME. «Это смелый новый шаг в глобальной программе по космологии и канадская история успеха».

CHIME — радиотелескоп, расположенный недалеко от Пентиктона, Британская Колумбия, и размещаемый Национальным исследовательским советом Канады (NRC). Инструмент ежедневно сканирует всё северное небо.

Проект объединяет исследователей со всей Канады, включая учёных из Университета Британской Колумбии, Макгилл‑университета, Университета Торонто и Королевской радиоастрономической обсерватории (Dominion Radio Astrophysical Observatory, NRC). В проект также вовлечены другие североамериканские партнёры, включая Университет штата Аризона.

Одна из основных целей CHIME — картирование того, как водород был распределён в более ранней Вселенной. Измеряя эту крупномасштабную структуру, астрономы могут реконструировать, как Вселенная расширялась с течением времени, и использовать эти измерения для исследования тёмной энергии.

До настоящего времени исследователям CHIME приходилось сравнивать свои радионаблюдения с данными оптических галактических обзоров, собранными другими телескопами. Эти обзоры решают схожие космологические задачи, наблюдая свет от галактик с гораздо большим разрешением. Однако они могут стоить миллионов долларов дополнительных затрат и в основном изучают области Вселенной, достаточно горячие и плотные для формирования звёзд.

CHIME же измеряет суммарное радиоволновое излучение, производимое самим водородом. Такой подход позволяет исследовать гораздо большие участки космоса, заглядывать дальше в прошлое и решать схожие задачи за долю стоимости, не полагаясь на данные других обзоров.

В сопутствующей статье исследователи проанализировали, что обнаруженный сигнал может сказать о распределении водорода по Вселенной.

«Наши данные указывают на то, что примерно два процента водорода во Вселенной в это время находились в нейтральной атомарной форме, что в целом согласуется с другими измерениями», — сказал соавтор доктор Шаббир Шайх, постдок Университета штата Аризона. «Измеряя, как этот водород распределён и группируется, CHIME даёт нам новый способ проверять наше понимание того, как формируются и эволюционируют галактики».

Таким образом, измерение предлагает не только новый метод изучения космического расширения. Оно также может помочь исследователям проверять модели формирования галактик и лучше понимать, как материя организовалась во Вселенной.

Поиск сигнала, сокрытого в космическом шуме

Открытие не было внезапным прорывом. Исследователям пришлось применять новые методы обработки и анализа данных, чтобы извлечь чрезвычайно слабый сигнал водорода на фоне значительно более сильных источников помех.

Фон включал радиошум самой Вселенной, сигналы, производимые человеческими технологиями, и даже эффекты, создаваемые самим телескопом. После идентификации возможной подписи водорода команда более года тестировала её, чтобы убедиться, что результат подлинный.

Их анализ в конечном счёте показал, что сигнал исходил от водорода в далёкой Вселенной в то время, когда возраст Вселенной составлял примерно пять миллиардов лет. Результат основан на 94 ночах наблюдений, собранных в 2019 году.

«Мы очень усердно работали, чтобы убедить себя, что это не ложная тревога», — сказал доктор Чакраборти. «После всех проверок сигнал остался. Это придало нам уверенность, что мы видим реальный водород из далёкой Вселенной».

Ещё семь лет наблюдений CHIME доступны

Новый результат опирается лишь на небольшую часть информации, которую CHIME собрал с момента начала работы.

У исследователей теперь почти семь лет наблюдений, доступных для анализа. Они работают над тем, чтобы расширить технику ещё дальше в космическую историю с целью изучения эпохи, когда возраст Вселенной составлял всего три миллиарда лет.

«Долгое время астрофизики считали, что в этой технике картирования водорода с помощью такого телескопа заложен большой потенциал. Фактически показав, что метод работает на практике, мы открыли совершенно новое окно во Вселенную. Мы можем использовать его для проверки наших текущих теорий и узнавать новое о галактиках и других свойствах Вселенной», — сказал соавтор доктор Саймон Форман, адъюнкт‑профессор Университета штата Аризона.

Проект финансируется Фондом инноваций Канады, Национальным исследовательским советом Канады, Советом по естественным наукам и инженерии Канады и провинциями Британская Колумбия, Онтарио и Квебек, а также поддерживается Общенациональным цифровым альянсом исследований Канады.

Материалы предоставлены Университетом Британской Колумбии.

Список авторов и ссылки на статьи: Mandana Amiri, Kevin Bandura, Arnab Chakraborty, Jean‑François Cliche, Matt Dobbs, Simon Foreman, Liam Gray, Mark Halpern, Alex S. Hill, Gary Hinshaw, Carolin Höfer, Albin Joseph, Nolan Kruger, T. L. Landecker, Rik van Lieshout, Joshua MacEachern, Kiyoshi W. Masui, Juan Mena‑Parra, Kyle Miller, Nikola Milutinovic, Arash Mirhosseini, Laura Newburgh, Anna Ordog, Ue‑Li Pen, Tristan Pinsonneault‑Marotte, Alex Reda, Andre Renard, Kana Sakaguri, J. Richard Shaw, Shabbir Shaikh, Seth R. Siegel, Saurabh Singh, David Spear, Yukari Uchibori, Keith Vanderlinde, Haochen Wang, Donald V. Wiebe, Dallas Wulf. Detection of the Cosmological 21 cm Signal in Autocorrelation at z ∼ 1 with the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment. The Astrophysical Journal, 2026; 1009 (2): 159 DOI: 10.3847/1538-4357/ae9835

Mandana Amiri, Kevin Bandura, Arnab Chakraborty, Zhuo Yu Brian Chu, Matt Dobbs, Simon Foreman, Liam Gray, Mark Halpern, Gary Hinshaw, Albin Joseph, Nolan Kruger, Joshua MacEachern, Kiyoshi W. Masui, Juan Mena‑Parra, Laura Newburgh, Tristan Pinsonneault‑Marotte, Alex Reda, Shabbir Shaikh, Seth R. Siegel, Yukari Uchibori, Keith Vanderlinde, Haochen Wang, Dallas Wulf. Interpretation of 21 cm Autopower Spectrum Measurement at z ∼ 1 by the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment. The Astrophysical Journal, 2026; 1009 (2): 160 DOI: 10.3847/1538-4357/ae9747