Вчені створили симуляцію для пошуку сигналів з космічної зорі

Науковці створили революційну комп'ютерну симуляцію, яка імітує те, що побачить низькочастотний телескоп Square Kilometre Array Low-frequency під час пошуку сигналів з найдавніших епох Всесвіту. Ця симуляція представляє значний крок вперед у підготовці до однієї з найамбітніших цілей астрономії — безпосереднього спостереження за Космічною Зорею та Епохою Реіонізації.

Космічна Зоря означає перший світанок Всесвіту — період приблизно через двісті-шістсот мільйонів років після Великого Вибуху, коли почали світити перші зірки. До цієї ери Всесвіт був огорнутий темною епохою, наповненою холодним нейтральним воднем, але без джерел світла. Коли Космічна Зоря розвивалася, нейтральний водень почав випромінювати слабкий радіосигнал на довжині хвилі двадцять один сантиметр. Із розширенням Всесвіту цей сигнал зазнав червоного зміщення до нижчих частот, які ми можемо виявляти сьогодні за допомогою радіотелескопів.

Епоха Реіонізації настала згодом, коли ультрафіолетове світло від ранніх зірок почало іонізувати навколишній водневий газ, створюючи бульбашки заряджених частинок, які поступово злилися разом. Цей процес кардинально змінив структуру Всесвіту та ознаменував кінець темних віків.

Виявлення цих стародавніх сигналів створює величезні технічні виклики. Симуляція відповідає глибокій інтеграційній точці спостереження в діапазоні частот від ста шести до ста дев'яноста шести мегагерц, що представляє неймовірно довгий час спостереження, необхідний для збору достатньої кількості даних. Сигнал надзвичайно слабкий — у тисячі разів тьмяніший за фоновий шум від нашої власної Галактики та інших джерел.

Симуляцію створила команда під керівництвом Анни Бональді з Обсерваторії SKA в Джодрелл-Банку у Великій Британії. Вона включає декілька компонентів, з якими зіткнуться реальні спостереження: фактичний сигнал Космічної Зорі, потужні радіоджерела як всередині, так і поза полем зору телескопа, випромінювання від нашої власної галактики Чумацький Шлях та різні джерела помилок вимірювання, включаючи атмосферні перешкоди та проблеми калібрування приладів.

Ця реалістична симуляція служить важливим випробувальним майданчиком для розробки методів відокремлення слабкого сигналу від переважаючих фонових перешкод. Виняткова чутливість SKA дозволить спостереження за Космічною Зорею та Епохою Реіонізації з безпрецедентною деталізацією як спектрально, так і просторово. Це багатство інформації приховане під галактичними та позагалактичними фонами, які необхідно точно видалити.

Дослідницька команда включила джерела від надзвичайно яскравих радіогалактик понад п'ять янських на частоті сто п'ятдесят мегагерц до джерел у мільйон разів тьмяніших — один мікроянський, разом з детальними моделями радіовипромінювання нашої Галактики та дрібномасштабними структурами в міжзоряному просторі. Яскравість радіоджерел вимірюється в одиницях янського.

Коли SKA-Low стане операційним, він буде найчутливішим низькочастотним радіотелескопом, коли-небудь побудованим, спеціально розробленим для виявлення цих невловимих сигналів з дитинства Всесвіту. Після запуску телескоп SKA-Low зможе робити найкращі можливі вимірювання перших джерел світла у Всесвіті. Він також повинен мати змогу робити знімки водневих випромінювань до, під час та після реіонізації.

Розробка цієї симуляції є критично важливою для успіху майбутніх спостережень. Вона дозволяє астрономам тестувати та вдосконалювати методи обробки даних ще до того, як телескоп почне роботу. Це особливо важливо, враховуючи складність відокремлення надзвичайно слабких сигналів від набагато яскравіших фонових джерел.

Телескоп SKA-Low буде складатися з тисяч антен, розташованих на території діаметром п'ять кілометрів. Ця конфігурація забезпечить неперевершену чутливість та роздільну здатність для спостереження за ранніми епохами Всесвіту. Проект представляє міжнародну співпracю між багатьма країнами та науковими установами.

Успішне виявлення сигналів з Космічної Зорі та Епохи Реіонізації революціонізує наше розуміння еволюції Всесвіту. Ці спостереження дозволять астрономам вивчити, як формувалися перші зірки та галактики, як вони впливали на навколишнє середовище та як відбувався перехід від темної епохи до сучасного Всесвіту, наповненого світлом.

Створена симуляція також допоможе у розробці алгоритмів машинного навчання та штучного інтелекту для автоматичного аналізу величезних обсягів даних, які генеруватиме SKA-Low. Це буде критично важливо, оскільки телескоп виробляватиме петабайти даних щодня.