Томография реионизации: как галактики рисуют карту Вселенной юности

Представьте, что вы пытаетесь понять форму и размеры гигантской губки, плавающей в тумане, имея лишь несколько ярких точек на её поверхности. Именно такую сложную задачу решают астрономы, изучая один из самых загадочных периодов в истории космоса — эпоху реионизации. Примерно 13 миллиардов лет назад, через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, Вселенная погрузилась во тьму, наполненную холодным нейтральным водородом. Затем началась титаническая трансформация: ультрафиолетовый свет от первых звёзд и галактик начал расщеплять атомы водорода, постепенно превращая непрозрачный космос в прозрачную для света среду. Этот процесс, растянувшийся на сотни миллионов лет, сформировал Вселенную, которую мы знаем сегодня. Однако до недавнего времени учёные могли судить о нём лишь по усреднённым, глобальным показателям, таким как общая доля ионизированного вещества. Где именно возникали первые ионизированные области? Как они росли и сливались? Как выглядела трёхмерная карта этого великого космического перехода? Новый метод под названием TORRCH (TOmographic Reconstruction of the Reionization of Cosmic Hydrogen) предлагает революционный подход, позволяющий восстановить эту древнюю карту, используя в качестве маяков далёкие галактики.

Эпоха реионизации: космический рассвет

Чтобы понять значимость прорыва, нужно представить контекст. После Большого взрыва и начального свечения Вселенная остыла, и материя объединилась в атомы нейтрального водорода. Наступили «тёмные века». Их окончание ознаменовалось рождением первых звёзд в первых галактиках. Их мощное излучение, подобно гигантским космическим фонарям, начало «выжигать» ионизированные полости в окружающем водородном тумане. Эти полости, или пузыри, расширялись и в конце концов слились, завершив процесс реионизации и сделав межгалактическое пространство прозрачным для большинства видов излучения.

Долгое время картина этого процесса была смутной. Исследователи измеряли интегральные характеристики, например, как менялась со временем средняя по объёму доля ионизированного вещества. Но это всё равно что пытаться понять рельеф страны, зная лишь среднюю высоту над уровнем моря. Две совершенно разные картины — с отдельными высокими горами и обширными равнинами или с сплошным холмистым плато — могут давать одинаковое среднее значение. Чтобы различить их, нужно видеть саму карту, её структуру и морфологию.

Галактики как индикаторы космической погоды

Здесь на сцену выходят галактики, особенно особый их класс — Lyα-эмиттеры. Они излучают яркую линию Лайман-альфа (Lyα), возникающую при переходе электрона в атоме водорода. Этот свет — мощный, но уязвимый инструмент для зондирования. Фотоны Lyα легко поглощаются нейтральным водородом. Представьте, что вы смотрите на фары машин в густом тумане: близкие огни видны хорошо, а далёкие почти неразличимы. Так и Lyα-эмиттер, находящийся внутри большого ионизированного пузыря, будет виден с Земли отчётливо. А такая же галактика, но окружённая морем нейтрального водорода, станет невидимой для наших телескопов, так как её Lyα-излучение будет полностью поглощено. Таким образом, само наличие или отсутствие галактики в каталоге наблюдаемых Lyα-источников уже несёт информацию о состоянии окружающей её межгалактической среды.

Однако полагаться только на Lyα-эмиттеры — всё равно что слушать историю лишь с одной стороны. Другой важный класс объектов — галактики, отобранные по их ультрафиолетовому излучению, но без сильной линии Lyα. Эти не-Lyα-отобранные галактики (NLSGs) служат другой цели: они в первую очередь отмечают места скопления массы и активного звездообразования, менее зависимо от локальной ионизации. Их распределение больше похоже на карту «космических городов» — центров активности, которые, вероятно, и являются двигателями реионизации. Комбинируя данные по обеим популяциям, мы получаем стереоскопическую картину: одна показывает, где есть светила (NLSGs), а другая — куда их свет смог пробиться (LAEs). Именно этот двойной взгляд и лёг в основу томографии реионизации.

TORRCH: Революционный подход к картографированию

Как же из разрозненных точек-галактик собрать целостную трёхмерную карту? Традиционные аналитические методы здесь бессильны — связь между видимым распределением галактик и скрытой картой нейтрального водорода чрезвычайно сложна и нелинейна. На помощь приходит искусственный интеллект.

Международная команда астрофизиков разработала глубокую нейронную сеть TORRCH. Принцип её работы интуитивно понятен: учёные взяли мощные космологические симуляции, которые детально моделируют формирование галактик и процесс реионизации. Из этих симуляций они «вырезали» кубы виртуальной Вселенной, для которых точно известна трёхмерная карта нейтрального водорода (истина). Затем они смоделировали, как бы выглядело распределение галактик (и Lyα-эмиттеров, и не-Lyα-галактик) в этих кубах для современных телескопов, добавив наблюдательные ограничения, шумы и погрешности. Таким образом, они создали огромный набор парных данных: на входе — реалистичное трёхмерное распределение галактик в наблюдаемом поле, на выходе — соответствующая ему карта нейтрального водорода.

Нейронная сеть, имеющая архитектуру 3D U-Net, обучалась на тысячах таких примеров. Она училась распознавать сложнейшие паттерны: как скопления галактик определённого типа, их взаимное расположение, пустоты между ними соотносятся с размером и формой ионизированных пузырей и нейтральных «островов». После обучения сеть TORRCH готова выполнить обратную задачу: получив на вход реальные (или пока ещё смоделированные) данные наблюдений за галактиками, она выдаёт наиболее вероятную трёхмерную реконструкцию поля нейтрального водорода в этой области космоса. По сути, это «рентгеновский снимок» юной Вселенной, полученный не с помощью рентгена, а через анализ распределения космических «маяков».

Что показали результаты: Чёткая картина из туманных данных

Тестирование метода на симулированных данных дало впечатляющие результаты. TORRCH продемонстрировал высокую точность в восстановлении крупномасштабной морфологии ионизации. Сеть не только правильно определяла среднюю долю нейтрального водорода в больших объёмах, но и с высокой достоверностью воспроизводила форму и взаимное расположение отдельных гигантских пузырей и нейтральных облаков. Это качественно новый уровень анализа: от средних чисел — к реальной геометрии.

Особенно важно, что метод оказался устойчивым. Учёные проверили, как сеть справляется с данными, сценарий которых немного отличается от тех, на которых она обучалась (ведь мы до конца не знаем истинных условий реионизации). TORRCH показал хорошую обобщающую способность. Он также оказался устойчив к неизбежным в реальных наблюдениях погрешностям в определении красного смещения (то есть расстояния) до галактик. Это критически важно для практического применения.

Исследование также чётко показало преимущество комбинированного подхода. Реконструкция, основанная только на данных по Lyα-эмиттерам, улавливает крупномасштабную топологию, но её точность снижена. Когда же в анализ добавляются данные по не-Lyα-отобранным галактикам, качество и детализация реконструированной карты резко возрастают. Два типа галактик действительно обеспечивают синергетический эффект, позволяя ИИ заглянуть глубже и увидеть отчётливее.

Будущее космической археологии

Метод TOMографии реионизации открывает новую эру в изучении ранней Вселенной. Его можно применять к данным существующих и строящихся телескопов, таких как «Джеймс Уэбб» (JWST) и чрезвычайно большой телескоп (ELT). В отличие от другого перспективного метода — картирования нейтрального водорода по линии 21 см, который сталкивается с чудовищными техническими сложностями из-за земных радиопомех, галактический подход TORRCH свободен от этих ограничений. Он использует оптические и инфракрасные наблюдения, которые гораздо чище.

В ближайшем будущем астрономы смогут не просто говорить: «Красное смещение 7, нейтрального водорода было около 50%». Они смогут показать трёхмерную карту, сказав: «Вот как выглядел этот регион пространства размером в сотни миллионов световых лет в ту эпоху. Здесь — огромный объединённый ионизированный пузырь, порождённый сверхскоплением галактик. А вот здесь, в этой войде, ещё сохранился реликтовый остров холодного нейтрального водорода». Это позволит напрямую проверять теории о том, какие объекты (массивные галактики, карликовые галактики, активные ядра) внесли основной вклад в реионизацию, как скорость этого процесса зависела от плотности материи и как именно происходило завершение этого величайшего перехода.

TORRCH превращает галактики из пассивных объектов изучения в активные инструменты космической археологии. С его помощью мы впервые получаем возможность не просто теоретизировать, а реально увидеть в объёме, как зажигался свет в конце космических тёмных веков, как формировалась прозрачная, современная Вселенная. Это шаг от космологии средних величин к подлинной, детализированной истории нашего космоса.