Исследование реликтового излучения, оставшегося с первых мгновений существования космоса, является ключом к пониманию происхождения и эволюции Вселенной. Этот древний свет несёт в себе отпечатки процессов, которые сформировали всё, что мы видим сегодня.
Телескоп CLASS, расположенный в высокогорной чилийской пустыне Атакама, ведёт наблюдения за ночным небом, чтобы зафиксировать мельчайшие колебания энергии космического микроволнового фона. (Изображение предоставлено Университетом Джонса Хопкинса)
Учёные разработали метод, позволяющий заглянуть вглубь космической истории на 13,8 миллиардов лет, вплоть до момента появления «первого света». Для этого они измеряют, как энергетические волны вибрируют в пространстве над Землёй.
Международная команда астрофизиков под руководством специалистов из Университета Джона Хопкинса использовала комплекс микроволновых телескопов под названием CLASS (Космологический крупноугольный исследовательский инструмент). Эта обсерватория, расположенная на высоте более 5 километров в Андах, уже составила карту 75% небесной сферы.
Ключевым аспектом измерений CLASS является анализ «микроволновой поляризации» — направления, в котором колеблются световые волны. Эти данные позволяют учёным отделить фоновое излучение нашей Галактики Млечный Путь от бесценного сигнала из глубин времён — так называемого космического микроволнового фона (CMB), который является окаменелым светом юной Вселенной.
«Анализируя поляризацию реликтового излучения, мы можем делать выводы о том, как выглядела Вселенная в своей младенческой фазе, — поясняет Тобиас Блэк, соруководитель проекта из Университета Джона Хопкинса. — Это позволяет нам вернуться к самым начальным условиям, к моменту, когда впервые сформировалось распределение материи и энергии, и связать это с современной структурой космоса».
Расшифровка космического ископаемого
Реликтовое излучение — это свет, возникший в Эпоху рекомбинации, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. До этого момента Вселенная представляла собой непрозрачную и раскалённую плазму, где свободные электроны постоянно рассеивали фотоны, создавая «космические тёмные века».
В процессе рекомбинации, по мере расширения и охлаждения Вселенной, электроны начали соединяться с протонами, образуя первые атомы водорода. Внезапное исчезновение свободных электронов позволило фотонам наконец-то свободно распространяться, сделав космос прозрачным. Именно этот первый всплеск света мы наблюдаем сегодня как космический микроволновый фон.
Поскольку CMB возник в эпоху, когда Вселенная была чрезвычайно плотной, он изначально был почти однородным. Однако в нём сохранились мельчайшие флуктуации — температурные «рябь» и особенности поляризации, которые несут информацию о том, как развивалась материя на протяжении 13,4 миллиардов лет. Эти колебания рассказывают историю образования первых звёзд, галактик и их скоплений.
«Изучение реликтового излучения с момента зарождения Вселенной критически важно для понимания механизмов её формирования, — отмечает Найджел Шарп из Национального научного фонда. — Новые измерения предоставляют важнейшие детали в нашей растущей картине изменчивости космического фона. Особенно впечатляет, что этот прорыв достигнут с помощью наземных инструментов».
Сравнение карт поляризации неба: новые карты CLASS (вверху) демонстрируют меньший уровень шума по сравнению со спутниковыми данными (внизу). Направление поляризации показано красным и синим цветом, а её сила соответствует интенсивности цвета.
Карты, созданные CLASS, фиксируют микроволновые сигналы, излучаемые в виде линейно поляризованного света, когда колебания происходят в одной плоскости. В нашей Галактике такая поляризация возникает из-за магнитных полей, разгоняющих электроны. Хотя этот сигнал сам по себе полезен для изучения Млечного Пути, он может создавать помехи для анализа древнего реликтового излучения.
Высокая чёткость карт CLASS позволяет учёным эффективно фильтровать линейно поляризованный свет Млечного Пути. Это открывает путь к поиску более тонких эффектов, таких как круговая поляризация, которая может быть следствием физических процессов в ранней Вселенной. При круговой поляризации свет ведёт себя как сложная двумерная поперечная волна, что принципиально отличается от линейного случая.
Схематическое изображение различий между линейной и круговой поляризацией света. (Изображение: Общественное достояние)
«Понимание природы свечения Млечного Пути крайне важно, поскольку нам необходимо вносить соответствующие поправки для более детального анализа реликтового излучения, — объясняет ведущий автор исследования Джозеф Эймер из Университета Джона Хопкинса. — CLASS блестяще справился с характеристикой этого сигнала, что позволило нам распознать и удалить эти „примеси“ из наших наблюдений».
Новые результаты, полученные CLASS, устанавливают новый стандарт точности в картировании поляризации света. Они демонстрируют, что современные наземные обсерватории способны успешно справляться с атмосферными помехами и проводить исследования космологического масштаба.
«Этот проект находится на переднем крае развития наземных измерений поляризации в крупнейших масштабах», — подводит итог Джозеф Эймер.
Исследование команды было опубликовано в журнале The Astrophysical Journal 26 февраля.
Космос Космос Длинный пост 2Обратите внимание: Что больше Вселенной (рассказ).
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: «Колебания» энергетических волн над Землей могут хранить историю Вселенной.