Радиотелескоп uGMRT впервые применил «лес 21 см» для изучения нейтрального межгалактического газа на эпохе реионизации

Ученые проанализировали архивные наблюдения самого яркого радиогромкого квазара эпохи реионизации J352-15 (красное смещение z=5.82), выполненные на модернизированном гигантском метроволновом радиотелескопе uGMRT. Целью было измерение одномерного спектра мощности так называемого «леса 21 см» — серии линий поглощения, которые нейтральный водород оставляет в спектрах далеких радиоисточников.

Метод «леса 21 см» считается перспективным для изучения теплового и ионизационного состояния межгалактической среды (IGM) в эпоху реионизации, когда большая часть водорода была нейтральной. Однако до сих пор чувствительности телескопов не хватало для статистически значимого сигнала. В данном исследовании ученые впервые применили к реальным данным метод спектра мощности, а не просто искали отдельные линии.

Хотя статистического обнаружения «леса 21 см» достигнуть не удалось, отсутствие сигнала позволило наложить совместные ограничения на два ключевых параметра: среднюю нейтральную фракцию водорода (?x_HI?) и среднюю температуру нейтрального газа (?T_HI?). Анализ на 68% доверительном уровне исключает модели с холодным и сильно нейтральным IGM на z?5.6. В частности, при ?x_HI?=0.1 температура ниже 27 К оказывается несовместимой с данными.

Эти ограничения выходят за пределы ранее известных из наблюдений Lyman-? и 21 см. Они свидетельствуют о том, что нейтральный межгалактический газ на этих красных смещениях существенно прогрет выше адиабатического предела охлаждения. Предположительно, это связано с предварительным нагревом от первых источников — таких как рентгеновские двойные или ранние галактики.

Для сравнения ученые также обработали данные наблюдений с австралийского массива Murchison Widefield Array (MWA), но из-за меньшей чувствительности MWA не смог дать конкурентных ограничений. В работе использовались космологические симуляции с разными сценариями ионизации и рентгеновского прогрева, что позволило применить байесовский вывод даже при отсутствии статистического обнаружения.

Как отмечают авторы, исследование демонстрирует, что «лес 21 см» перешел в разряд наблюдательно-информативных статистик. Полученные результаты являются важным шагом к пониманию тепловой истории Вселенной в эпоху реионизации. Дальнейшие наблюдения с повышенной чувствительностью, ожидаемые на будущих телескопах, позволят окончательно определить свойства нейтрального газа на этих красных смещениях.