7.3K
Используя массив радиотелескопов IRAM NOEMA, астрономы исследовали холодное водяное облако, которое, как оказалось, блокирует часть света от реликтового фона. Возраст объекта составляет примерно 13 миллиардов лет, а «тень» на нем, создаваемая в результате поглощения более теплого микроволнового излучения на его пути к Земле, раскрывает температуру юной Вселенной: ключевой момент в понимании ее эволюции. Результаты наблюдений и выводы ученых представлены в журнале Nature.
«Мы провели новый вид измерений, который позволил оценить температуру «космического фонового излучения», заполняющего молодую Вселенную. Это излучение, остаток горячей фазы Большого взрыва, постоянно остывает, и определение его температуры в ранние времена, в данном случае через 880 миллионов лет после Большого взрыва, является ключевым для тестирования современных космологических моделей», – рассказывают авторы исследования.
Охлаждающаяся Вселенная
Примерно 13,8 миллиарда лет назад, в фазу Большого взрыва, Вселенная была чрезвычайно плотная и состояла из невероятно горячей плазмы, которая под действием стремительного расширения быстро остывала. Наряду с плазмой остывало и тепловое излучение – фотоны, пролетая сквозь нее и взаимодействуя с электрически заряженными частицами, становились все менее энергичными.
Через несколько сотен тысяч лет плазма достаточно остыла для образования атомов. Но по мере ее остывания теплового излучения вокруг и высокоэнергетических фотонов становилось все меньше и меньше. К 380-тысячилетнему рубежу почти все атомные ядра (в основном водородные с добавлением гелия-4) соединились с электронами, образовав электрически нейтральные атомы. С того времени взаимодействие между ними и оставшимся тепловым излучением было очень слабым. С тех пор это излучение, которое принято называть «реликтовым», продолжало распространяться в пространстве практически без изменений.
«Именно здесь становится важной основная истина астрономии. Свету от объектов всегда требуется определенное время, чтобы достичь нас. В результате с Земли мы никогда не увидим, например, Солнце таким, каким оно есть в данный момент. Наши наблюдения всегда отстают примерно на 8 минут, именно столько требуется свету, чтобы достичь наших телескопов. Точно так же мы всегда видим галактику Андромеды такой, какой она была около 2,5 миллиона лет назад», – пояснили авторы исследования.
Окно в горячую фазу Большого взрыва
Но это означает, что сегодня мы все еще можем наблюдать изначальное космическое фоновое излучение! Если мы будем заглядывать все дальше и дальше в космос, то есть до тех пор, пока не начнем смотреть на области, которые находятся так далеко, что их свет шел к нам 13,8 миллиарда лет, то эти регионы мы увидим такими, какими они были 13,8 миллиарда лет назад.
«Есть еще один важный момент. С того времени Вселенная расширялась, что привело к охлаждению первичного теплового излучения, которое полностью описывается всего одним параметром – температурой. В современных космологических моделях влияние космического расширения на эту температуру прямолинейно: за то время, когда расстояния между далекими галактиками увеличились в два раза, температура реликтового излучения также упадет вдвое», – отмечают авторы исследования.
Со времени выброса космического фонового излучения до настоящего времени Вселенная расширилась примерно в 1100 раз. В наши дни он достигает Земли в основном в виде низкоэнергетического микроволнового излучения.
Прямая связь между расширением Вселенной и температурой реликтового излучения означает, что оно несет очень ценную информацию. Если бы мы смогли измерить его температуру в разные периоды космической истории, это позволило бы нам реконструировать в деталях, как расширялся космос. Эта «хронология расширения» является одним из самых важных наборов данных, и он напрямую связан с одним из величайших неизвестных современной космологии: темной энергией, ингредиентом, наполняющим Вселенную и отвечающим за ее ускоренное расширение.
Отслеживание космического расширения
Прямые измерения могут показать, действительно ли существует эта связь между расширением Вселенной и охлаждением реликтового излучения. Если обнаружатся какие-либо отклонения от ожидаемых тенденций, это может иметь прямые последствия для раскрытия природы неуловимой темной энергии.
«Примечательно, что отклонение от прямой связи можно было бы ожидать в моделях, в которых темная энергия «распадается», передавая часть своей энергии обычному веществу и излучению, что должно замедлить остывание реликтового излучения. Некоторые модели другой большой неизвестной в космологии – темной материи – будут включать аналогичные эффекты», – продолжают авторы исследования.
Однако измерить температуру реликтового излучения в разные периоды космической истории довольно сложно.
Измерение температуры космоса через 880 миллионов лет после Большого взрыва
Главный герой исследования – облако водяного пара в галактике со вспышкой звездообразования HFLS3. Реликтовое излучение действует на него как источник света, который, с точки зрения наблюдателя, находится за облаком.
«Облако водяного пара холоднее, чем реликтовое излучение. По этой причине оно отбрасывает «тень» на космический микроволновый фон, анализ которой дает представление о разнице температур», – заявили авторы исследования.
Из наблюдений астрономы пришли к выводу, что реликтовое излучение в то время должно было иметь температуру от -256,75 до -242,95 градусов по Цельсию. Это согласуется с предсказаниями современных космологических моделей, учитывающих прямую связь между остыванием реликтового излучения и историей космического расширения.
«Полученные данные дают важные новые сведения об эволюции Вселенной и показывают нам, что космос в своем младенчестве обладал некоторыми необычными свойствами, совсем не похожими на то, что ему свойственно сегодня», – заключили авторы исследования.