Реликтовое излучение — это послесвечение Большого взрыва, которое мы видим на миллиметровых волнах. Но у него есть и длинноволновый хвост, уходящий в радиодиапазон. На волнах длиннее 21 сантиметра этот свет начинает поглощаться нейтральным водородом, разбросанным в далёком космосе. Водород работает как полупрозрачное стекло: часть фотонов застревает в нём, и карта неба на этих частотах становится чуть более гладкой, чем ожидалось.
Эффект зависит от двух вещей: насколько газ горячий (его спиновая температура) и много ли там нейтральных атомов, а не ионизованных. Чем холоднее водород, тем сильнее он поглощает. Пик поглощения приходится на частоты около 100 мегагерц — это соответствует эпохе «тёмных веков», когда ещё не зажглись первые звёзды. Доля поглощённого света может достигать нескольких процентов.
Прямой приём такого слабого радиосигнала — задача на грани возможностей. Но авторы работы предлагают обходной путь: сравнить радиокарты с уже точными картами реликтового излучения на миллиметровых волнах. Если на радиокарте видно небольшое сглаживание, а на миллиметровой — нет, значит, водород действительно поглощает. Такой перекрёстный анализ может оказаться проще, чем ловить собственное свечение водорода.
Такой подход даёт новый способ измерить отношение доли нейтрального водорода к его спиновой температуре в разные эпохи. Это важно для понимания, как нагревался газ в ранней Вселенной и когда зажглись первые звёзды. По сути, мы получаем градусник и счётчик атомов для времён, когда Вселенная была тёмной и холодной.
как её написали авторы, на английском arXiv:2605.22934
At wavelengths longer than 21 cm, photons from the long-wavelength tail of the cosmic microwave background (CMB) have a non-zero probability of being absorbed by distant neutral hydrogen. This provides an additional suppression of the observed CMB clustering in addition to the usual Thomson scattering. The optical depth as a function of frequency is sensitive to the 21 cm spin temperature $$T_s$$ of the gas as a function of cosmic time, with the excess optical depth peaking at a level of a few percent around 100 MHz. The details depend on the specifics of the heating of cosmic gas and the evolution of the neutral fraction $$x_{HI}$$. It is likely difficult to detect the CMB at these long radio wavelengths, but the cause is aided by the ability to cross-correlate with the already well-characterized fluctuations at cm/mm frequencies. We find that detecting CMB fluctuations at radio wavelengths corresponding to the 21 cm ``dark ages'' in cross-correlation with mm-wave maps may be easier than detecting the intrinsic 21 cm fluctuations. Measurement of the amplitude of CMB fluctuations as a function of radio wavelength provides a path for a new type of direct measurement of the combination $$x_{HI}/T_s$$ as a function of redshift.
Длина волны 21 см — это естественный «радиомаяк» водорода, возникающий из-за переворота спина электрона. Астрономы используют его для картографирования галактик.
В романе «Контакт» Карла Сагана сигнал на частоте водорода становится ключом к расшифровке послания внеземной цивилизации.