Как узнать, что происходило во Вселенной задолго до появления первых звезд — в эпоху, которую мы до сих пор можем лишь гипотетически представлять?
Ответ может крыться в скромном сигнале длиной 21 см, испускаемом самым простым элементом природы — атомом водорода. Это излучение, возникающее из-за квантового перехода, запрещенного в классическом понимании, — один из самых точных и стабильных маяков, доступных астрономам. И хотя этот сигнал невероятно слаб, его значение трудно переоценить: он может пролить свет на темные уголки космоса, где обычный свет никогда не побывает.
В отличие от планет, которые могут вращаться вокруг звезды на любых расстояниях, если у них есть нужная скорость, атомы и их составляющие — протоны, нейтроны и электроны — существуют только в строго определенных конфигурациях. Это результат квантовых правил, ограничивающих возможные состояния вещества.
Наиболее распространенный атом во Вселенной — водород: один протон, один электрон. Когда формируются новые звезды, водород ионизируется, а затем, при рекомбинации, электроны возвращаются к протонам. Обычно они испускают инфракрасное, видимое или ультрафиолетовое излучение. Но есть и уникальный квантовый переход, который вызывает излучение с длиной волны 21 см — и оно может стать ключом к пониманию ранней Вселенной.
Эта длина волны связана с так называемой сверхтонкой структурой атома водорода. В ней учитывается взаимодействие спинов (собственных вращений) протона и электрона. Когда водородный атом формируется, спины могут быть либо сонаправлены, либо противоположны. В последнем случае это — более стабильное, низкоэнергетическое состояние. Но если спины сонаправлены, система может «просочиться» в противоположное состояние через квантовое туннелирование, явление, при котором частица может перейти в запрещенное состояние, минуя «реальный» переход. Этот процесс очень медленный — в среднем один раз за 10 млн лет, но он приводит к излучению того самого фотона длиной 21 см.
Несмотря на редкость такого перехода, его стабильность и точность позволяют использовать его в астрономии как универсальный инструмент. Это излучение появляется не только в эпоху Рекомбинации, через сотни тысяч лет после Большого взрыва, но и каждый раз, когда формируются новые звезды. Молодые массивные звезды испускают ультрафиолет, ионизируя окружающий водород. После их гибели электроны снова присоединяются к протонам, и в случае спинового перехода снова испускается 21-сантиметровый сигнал.
Картирование такого излучения во всех направлениях и на всех расстояниях откроет уникальные возможности: восстановление истории звездообразования, обнаружение звезд в пустотах космоса, подтверждение наличия газа до формирования первых звезд. Мы сможем увидеть, где недавно образовались звезды, даже если они уже погасли или слишком тусклы для инфракрасных телескопов. В отличие от света, проходящего сквозь миллиарды лет, 21-сантиметровое излучение не подвержено таким искажениям. Это значит, что мы могли бы «услышать» даже те области, где обычное излучение поглощено или никогда не рождалось.
Одним из перспективных проектов в этом направлении является LOFAR — низкочастотная радиосеть, уже работающая на Земле. Но еще более амбициозным планом считается установка радиотелескопов на обратной стороне Луны, которая экранируется от помех Земли. Такая локация даст возможность зафиксировать самые слабые сигналы от далекого прошлого.
Возможно, именно это излучение, формируемое самым простым атомом во Вселенной, поможет нам разгадать, как развивалась космическая тьма до появления звезд, галактик и даже света как такового. В погоне за самым древним эхом мы снова и снова возвращаемся к простому водороду — и к 21 сантиметру, длине, за которой скрываются миллиарды лет истории.
Кстати, исследование нейтрального водорода — не единственное, что помогает лучше понять происхождение Вселенной. Недавно ученые выяснили, что золото и платина могут рождаться при вспышках особых звезд.
