Благодаря уникальной работе международной команды астрофизиков, впервые за всю историю человечества удалось зафиксировать свет эпохи «косического рассвета» — события, которое произошло более 13 миллиардов лет назад и ознаменовало начало формирования первых звезд и галактик во Вселенной. Это значимое достижение не только подтверждает теоретические модели происхождения космоса, но и открывает новые горизонты для изучения ранней истории Вселенной, ранее доступной только космическим обсерваториям.

На протяжении десятилетий учёные предполагали, что наблюдение за светом «косического рассвета» невозможно с поверхности Земли из-за особенностей атмосферы. Изначально свет этого эпохи — так называемый «космический микроволновой фон» (КМИФ) — очень слаб и находится в миллиметровом диапазоне. Его сигналы чрезвычайно тонки и легко поглощаются или искажаются излучением самой атмосферы, электромагнитными помехами и атмосферными явлениями, такими как дожди или облака. Это сделало невозможным получение чистого сигнала из космоса без дорогостоящих космических обсерваторий.

Подобные сложности вынудили учёных полагать, что единственный способ заглянуть в «зародыш» Вселенной — это размещение телескопов на орбите, что существенно усложняет и удорожает исследования. Но ученые из проекта «Большой спектрогазовый обзор» (CLASS — Cosmology Large Angular Scale Surveyor) решили поставить перед собой амбициозную задачу — использовать наземные телескопы для получения данных, ранее считавшихся недостижимыми.

Что такое проект CLASS и как он работает?

Проект «Большой спектрогазовый обзор» — это международная научная инициатива, объединяющая ведущие институты и университеты. Основная задача — изучение микроволнового излучения ранней Вселенной с помощью специально сконструированного телескопа, расположенного в высокогорье. В 2016 году был запущен телескоп, который установлен на высоте 16 860 футов (около 5380 метров) в Андах — в пустыне Атакама, Чили. Это место было выбрано за счет минимальной влажности воздуха и низкого уровня электромагнитных помех, что значительно повышает чувствительность приборов.

Телескоп CLASS работает в диапазоне микроволн, что даёт возможность картировать около 75% ночного неба и, самое важное, фиксировать сигналы, связанные с эпохой «косического рассвета» и следующим этапом — эпохой «реионализации» — процесса, когда первые звезды и галактики начали «освобождать» окружающий их нейтральный водород и ионизировать его. Именно эти процессы оставляют за собой уникальный «письменный след» — поляризованный сигнал, который и удалось впервые обнаружить с помощью наземного телескопа.

Почему это достижение так важно?

Научное значение открытия заключается в возможности изучения первых миллиардов лет после Большого Взрыва. До сих пор космические телескопы, такие как «Уилкинсоновский микроволновый анизотропный прибор» (WMAP) и миссия Европейского космического агентства «Планк», обеспечивали данные о общем виде микроволнового фона и космического раннего излучения. Однако они не могли достаточно точно зафиксировать сигналы, связанные с процессами реионализации, а также были ограничены возможностями по компенсированию помех и шумов в орбитальной обстановке.

Задача учёных — «расшифровать» поляризованные компоненты этого излучения и понять, как именно первые звезды и галактики повлияли на окружающую среду. Эти знания помогают моделировать рост структур во Вселенной, исследовать свойства темной материи и нейтрино — крошечных, но очень многочисленных частиц, которые играют важнейшую роль в космологических моделях.

Достигнутый прогресс и его научные открытия

В опубликованном 11 июня в журнале «Астрофизический журнал» (The Astrophysical Journal) отчёте ученые описали, как им удалось обнаружить первые признаки светового следа «косического рассвета». Анализ данных, собранных с помощью класса телескопа, показал наличие характерных признаков поляризации микроволнового излучения, свидетельствующих о начальных этапах реионализации. Этот сигнал был получен в условиях атмосферных помех — благодаря специально разработанным методикам фильтрации и калибровки данных, а также благодаря высокой чувствительности оборудования.

«Люди считали, что это невозможно сделать с Земли», — говорит руководитель проекта, профессор физики и астрономии в Университете Джона Хопкинса Тобиас Мэридж. — «Достижение этого результата — свидетельство того, что современные технологии позволяют получать точные данные о ранней Вселенной прямо с поверхности планеты».

Этот успех демонстрирует, что современные инженерные решения и методики обработки данных позволяют преодолеть долгие годы scepticisme в научных кругах, связанных с невозможностью наблюдений из наземных телескопов в столь сложных условиях. Это открывает путь к созданию постоянных станций для наблюдения за космическими микроволновыми сигналами, что значительно снизит затраты и повысит гибкость исследований.

Обнаружение сигнала «косического рассвета» — лишь первый этап. В будущем планируется расширение спектра наблюдений и увеличения точности измерений. В рамках проекта CLASS уже собираются новые данные, а также ведутся разработки более чувствительных и устойчивых к помехам детекторов. Ключевым моментом станет интеграция данных с другими наземными и космическими обсерваториями для составления полноценных карт ранней истории Вселенной.

Новые технологии, такие как использование квантовых датчиков или более совершенных методов фильтрации шумов, могут привести к тому, что учёные вскоре смогут «заглянуть» даже в самые ранние эпохи — к моменту появления первых элементарных частиц и формирования первичных структур космоса.

Обнаружение световых следов «косического рассвета» с Земли — это новая веха в изучении нашей Вселенной. Это достижение показывает, что даже самые сложные задачи в астрономии под силу решать с помощью современного технического арсенала и научных методов. Открытие подтверждает возможность проведения фундаментальных исследований прямо с поверхности планеты, что делает их более доступными и менее затратными. В будущем нас ждут новые открытия, которые помогут понять, как возникла и развивалась Вселенная, и, возможно, пролить свет на такие тайны, как природа темной материи и нейтрино.