* * *
Мои исследования по теме космического рассвета внесли свой вклад в возникновение нового научного направления, названного «21-сантиметровая космология». Это область радиоастрономии, занимающаяся построением трехмерных карт Вселенной при помощи измерений радиоизлучения атомарного водорода, которое изначально происходит на длине волны 21 сантиметр, но со временем претерпевает допплеровское растяжение из-за расширения космоса.
Можно вспомнить, что это тот же метровый частотный диапазон, который люди заполнили радиошумом своих телевизоров, приемников, мобильных телефонов и компьютеров, – это озарение вдохновило нас с Матиасом Залдарриагой задуматься: будут ли и другие развитые цивилизации излучать такой же шум? Но в самом начале мой интерес к излучению на волне в 21 сантиметр был вызван тем, что с его помощью было возможно заглянуть в такое далекое прошлое, когда еще не могло быть никаких цивилизаций. На том этапе своей карьеры я охотился не на пришельцев, я охотился на водород.
После того как случился Большой взрыв, водород был самым распространенным элементом во Вселенной, занимая первое место с большим отрывом: ранняя Вселенная на 92 % состояла из атомов водорода и на 8 % – из атомов гелия. Но в то время водород во Вселенной еще не излучал никаких радиосигналов, которые можно было бы зафиксировать сегодня. Причина в том, что сразу после Большого взрыва подавляющее большинство обычного вещества Вселенной, а именно водорода, было в ионизированном состоянии.
Нейтральный атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Но при высоких температурах и под воздействием ультрафиолетовой радиации они разделяются (ионизируются): атом водорода теряет свой электрон и существует как одиночный положительно заряженный протон. Это меняет свойства водорода, если конкретнее, тип излучаемого им радиосигнала. Электрон, когда он связан в нейтральном атоме водорода, может перескакивать между энергетическими состояниями, высшим и низшим, испуская при этом переходе фотон, безмассовую частицу – в виде радиоволны длиной (в данном случае) 21 сантиметр. Но ионизированный водород лишен своего электрона, поэтому этого делать не может.
Примерно спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что электроны и протоны смогли соединиться в нейтральные атомы водорода, и с этого момента должны излучаться первые фотоны, имеющие характерную сигнатуру водорода – длину волны в 21 сантиметр, – которые мы можем начать искать. В течение сотен миллионов лет атомы водорода оставались нейтральными, электроны в них перескакивали между своими более высокими и низкими энергетическими уровнями, излучая характерные волны, – и так вплоть до эпохи образования звезд, а затем и галактик, когда водород во Вселенной снова перешел в ионизированное состояние.