В первые сотни миллионов лет после Большого взрыва Вселенная была тёмной: звёзд ещё не было, а пространство заполнял холодный водород. Этот газ испускает радиоволны длиной 21 сантиметр — как тихий шёпот, который доносится до нас сквозь 13 миллиардов лет. Но рядом гремят другие источники: галактики, остатки взорвавшихся звёзд, шум приборов. Они в тысячи раз громче и заглушают водород.
Чтобы расслышать шёпот, астрономы сравнивают его с картой галактик. Галактики и водород собираются в одних и тех же местах — там, где больше вещества. Обычно связь ищут попарно: берут две точки и смотрят, насколько они похожи. Но водородный сигнал устроен сложнее: его яркость меняется пятнами, которые не описать простыми парами. Новый метод, названный kNN CDF, смотрит не на пары, а на целые созвездия соседей — сколько ближайших точек вокруг каждой. Это как сравнивать не два голоса, а хор целиком.
Проверка на искусственных данных показала: новый подход ловит связь даже тогда, когда помехи сильные, а старый способ пасует. Более того, он различает сценарии, как именно первые звёзды зажигали и ионизировали газ. При одной и той же доле ионизированного водорода две модели могут давать одинаковые парные связи, но разные узоры соседства. Значит, мы можем узнать не только «когда», но и «как» Вселенная вышла из темноты.
Так шёпот первых звёзд становится слышнее. Сравнивая его с картой галактик новым способом, мы можем расслышать детали, которые раньше тонули в шуме.
Волна 21 сантиметр возникает, когда электрон в атоме водорода самопроизвольно переворачивает свой спин — это происходит в среднем раз в 11 миллионов лет для одного атома, но водорода так много, что сигнал всё равно заметен.
В романе Станислава Лема «Глас Господа» учёные пытаются расшифровать загадочный сигнал из космоса, который тонет в шуме, — похожая борьба с помехами идёт и при поиске 21-сантиметрового излучения.