Astronomowie od dekad próbują zrozumieć, co działo się w najwcześniejszych chwilach istnienia kosmosu — zanim pojawiły się pierwsze gwiazdy, a ciemność ustąpiła miejsca światłu. Teraz, dzięki nowym symulacjom i zbliżającemu się uruchomieniu przełomowego teleskopu SKA-Low, nauka może być o krok od zajrzenia w te odległe epoki. W artykule wyjaśniamy, czym jest Kosmiczny Świt, jak działa SKA-Low i dlaczego 1000 godzin obserwacji może odmienić nasze rozumienie początków wszechświata.
Kosmiczny Świt to fascynujący moment w historii wszechświata — czas narodzin pierwszych gwiazd, przypadający na około 200 do 600 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Wcześniej wszechświat pozostawał pogrążony w mroku, wypełniony zimnym, neutralnym wodorem i całkowicie pozbawiony światła. Dopiero gdy pierwsze gwiazdy zaczęły świecić, zapoczątkowały one powolną, ale radykalną transformację kosmosu.
Jednym z najważniejszych śladów tej przemiany jest słaby sygnał radiowy pochodzący od neutralnego wodoru — o długości fali 21 cm. Wskutek rozszerzania się wszechświata sygnał ten został rozciągnięty (czyli przesunięty ku czerwieni) do dłuższych fal, które dziś można próbować wykryć za pomocą czułych radioteleskopów.
Po Kosmicznym Świcie nastała tak zwana epoka rejonizacji. To faza, w której promieniowanie ultrafioletowe emitowane przez pierwsze gwiazdy i galaktyki zaczęło jonizować otaczający gaz. Pojawiły się bąble zjonizowanego wodoru, które stopniowo się rozszerzały, aż objęły cały wszechświat, kończąc jego „ciemne wieki”.
SKA-Low — najczulszy radioteleskop niskiej częstotliwości
Square Kilometre Array Low-frequency (SKA-Low) to budowany obecnie w Australii interferometr, który po uruchomieniu stanie się najczulszym radioteleskopem niskiej częstotliwości na świecie. Jego głównym zadaniem będzie wykrywanie słabych sygnałów z wczesnego wszechświata — w szczególności emisji neutralnego wodoru z czasów Kosmicznego Świtu i epoki rejonizacji.
Teleskop będzie pracował w zakresie częstotliwości 50–350 MHz, a jego wyjątkowa rozdzielczość spektralna i przestrzenna pozwoli na mapowanie rozkładu wodoru sprzed, w trakcie i po rejonizacji. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, SKA-Low dostarczy danych, które umożliwią stworzenie pierwszej szczegółowej mapy „niemowlęcego” wszechświata.
Zanim jednak teleskop rozpocznie obserwacje, naukowcy pod kierownictwem Anny Bonaldi z Obserwatorium SKA w Jodrell Bank opracowali zaawansowaną symulację komputerową. Symulacja pokazuje, co moglibyśmy zobaczyć po 1000 godzinach obserwacji SKA-Low w zakresie od 106 do 196 MHz — dokładnie tam, gdzie spodziewamy się uchwycić najstarsze echa kosmicznego światła.
Model uwzględnia nie tylko docelowy sygnał z wczesnego wszechświata, lecz także wszystkie istotne zakłócenia: silne źródła radiowe w polu widzenia i poza nim, emisję z naszej galaktyki, błędy kalibracji, zakłócenia atmosferyczne i inne źródła szumu. Dzięki temu symulacja odzwierciedla rzeczywiste wyzwania, z jakimi zmierzą się astronomowie w trakcie analizy danych.
Sygnały z Kosmicznego Świtu i epoki rejonizacji są niezwykle słabe — często milion razy słabsze od silnych źródeł radiowych w tle. Właśnie dlatego tak ważne było stworzenie tak realistycznej symulacji. Uwzględniono w niej m.in. galaktyki emitujące ponad 5 jansky przy 150 MHz oraz obiekty o jasności zaledwie jednego mikroJansky. Dodano nawet drobne struktury w ośrodku międzygwiazdowym Drogi Mlecznej.
Celem symulacji jest opracowanie skutecznych technik odseparowania sygnału kosmicznego od dominującego szumu. Tylko dzięki temu astronomowie będą mogli odsłonić najstarsze obrazy z przeszłości kosmosu i zajrzeć do czasów, gdy wszechświat dopiero budził się do życia.