[Перевод] Учёные получили самое чёткое на сегодня изображение первого света Вселенной
Новые данные, полученные с помощью Атакамского космологического телескопа, дают беспрецедентные изображения Вселенной возрастом 380 000 лет, с исключительной чёткостью показывая движение и поляризацию космического света.
Эти находки не только углубляют наше понимание космического микроволнового фонового излучения, но и подтверждают фундаментальные теории космической структуры и расширения, устанавливая новые стандарты наблюдательной космологии.
Революционное изображение Вселенной
Новое исследование, проведённое с помощью Атакамского космологического телескопа (АКТ), позволило получить самые чёткие изображения Вселенной в её младенческом возрасте. Улавливая свет, прошедший путь в 13 миллиардов лет, чтобы достичь телескопа в чилийских Андах, учёные показали, как выглядела Вселенная, когда ей было всего 380 000 лет, — по сути, это снимок новорождённого космоса, который сейчас находится в среднем возрасте.
«Мы видим первые шаги к созданию самых ранних звёзд и галактик», — говорит Сюзанна Стаггс, директор АКТ и профессор физики Принстонского университета Генри де Вольф Смит. И мы видим не просто светлые и тёмные пятна, мы видим поляризацию света в высоком разрешении». Это определяющий фактор, отличающий АКТ от «Планка» и других, более ранних телескопов».
«АКТ имеет в пять раз большее разрешение, чем «Планк», и большую чувствительность», — говорит Сигурд Наесс, исследователь из Университета Осло и ведущий автор одной из нескольких работ, связанных с проектом. «Это означает, что слабый сигнал поляризации теперь виден напрямую».
Раскрытие космических движений
Поляризационное изображение показывает детальное движение водородного и гелиевого газа в космическом младенчестве. «Раньше мы видели, где что находится, а теперь мы видим, как это движется», — говорит Стаггс. «Подобно тому, как по приливам и отливам можно судить о наличии Луны, движение, отслеживаемое по поляризации света, говорит нам о том, насколько сильным было притяжение в разных частях космоса».
Новые результаты подтверждают простую модель Вселенной и исключают большинство конкурирующих альтернатив, говорит команда исследователей. Работа ещё не прошла рецензирование, но исследователи представили свои результаты на ежегодной конференции Американского физического общества 19 марта.
Понимание самых ранних времён Вселенной
В первые несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва первозданная плазма, заполнявшая Вселенную, была настолько горячей, что свет не мог свободно распространяться, делая Вселенную фактически непрозрачной. РИ представляет собой первый этап истории Вселенной, который мы можем видеть — фактически, младенческий снимок Вселенной.
Новые изображения дают удивительно чёткое представление об очень тонких изменениях плотности и скорости газов, заполнявших молодую Вселенную. «Есть и другие современные телескопы, измеряющие поляризацию с низким уровнем шума, но ни один из них не охватывает такую большую часть неба, как АКТ», — говорит Наэсс. То, что выглядит как туманные облака в интенсивности света, является более и менее плотными областями в море водорода и гелия — холмами и долинами, простирающимися на миллионы световых лет. В течение последующих миллионов и миллиардов лет гравитация втягивала более плотные области газа внутрь, образуя звёзды и галактики.
Эти детальные изображения новорождённой Вселенной помогают учёным ответить на давние вопросы о её происхождении. «Заглянув в то время, когда всё было намного проще, мы можем собрать воедино историю о том, как наша Вселенная превратилась в богатое и сложное место, в котором мы находимся сегодня», — говорит Джо Данкли, профессор физики и астрофизических наук Джозеф Генри в Принстонском университете и руководитель анализа АКТ.
Состав и расширение космоса
Мы более точно определили, что наблюдаемая Вселенная простирается почти на 50 миллиардов световых лет во всех направлениях от нас и содержит массу, равную 1900 «зетта-солнцам», или почти 2 триллионам триллионов Солнц», — говорит Эрминия Калабрезе, профессор астрофизики из Университета Кардиффа и ведущий автор одной из новых работ. Из 1900 зетта-солнц масса обычной материи — той, которую мы можем видеть и измерять, — составляет всего 100. Ещё 500 зетта-солнц массы — это загадочная тёмная материя, а оставшиеся 1300 — энергия вакуума (также называемая тёмной энергией).
Крошечные частицы нейтрино составляют не более четырёх зетта-солнц массы. Из обычной материи три четверти массы составляет водород, а четверть — гелий. «Почти весь гелий во Вселенной был произведён в первые три минуты космического времени», — говорит Тибо Луи, научный сотрудник CNRS из лаборатории IJCLab Университета Париж-Сакле и один из ведущих авторов новых работ. «Наши новые измерения его изобилия очень хорошо согласуются с теоретическими моделями и наблюдениями в галактиках». Элементы, из которых состоят люди, — в основном углерод, кислород, азот, железо и даже следы золота — образовались позже в звёздах и являются лишь присыпкой на поверхности этого космического блюда.
Новые измерения АКТ также позволили уточнить оценки возраста Вселенной и скорости её развития. Слияния объектов в ранней Вселенной посылали звуковые волны через пространство, подобно ряби, расходящейся кругами по пруду.
«Более молодая Вселенная должна была бы расширяться быстрее, чтобы достичь своих нынешних размеров, и изображения, которые мы измеряем, доходят до нас как будто с близкого расстояния», — объясняет Марк Девлин, профессор астрономии Риз В. Флауэр из Пенсильванского университета и заместитель директора АКТ. «В этом случае видимый масштаб пульсаций на изображениях будет больше, подобно тому, как линейка, поднесённая к лицу, кажется больше, чем та, что находится на расстоянии вытянутой руки». Новые данные подтверждают, что возраст Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет с погрешностью всего в 0,1%.
Спор о постоянной Хаббла
В последние годы космологи расходятся во мнениях относительно постоянной Хаббла — скорости, с которой пространство расширяется сегодня. Измерения, полученные на основе РИ, постоянно показывают скорость расширения 67–68 километров в секунду на мегапарсек, в то время как измерения, полученные на основе движения близлежащих галактик, указывают на постоянную Хаббла, достигающую 73–74 км/с/Мпк. Используя недавно опубликованные данные, команда АКТ измерила постоянную Хаббла с повышенной точностью. Их измерения совпадают с предыдущими оценками, полученными с помощью РИ. «Мы провели совершенно новое измерение неба, что дало нам независимую проверку космологической модели, и наши результаты показывают, что она выдерживает проверку», — говорит Адриаан Дуйвенворден, научный сотрудник Института астрофизики Макса Планка и ведущий автор одной из новых работ.
Основной целью работы было изучение альтернативных моделей Вселенной, которые могли бы объяснить разногласия. «Мы хотели посмотреть, сможем ли мы найти космологическую модель, которая соответствовала бы нашим данным и при этом предсказывала бы более высокую скорость расширения», — говорит Колин Хилл, доцент Колумбийского университета и один из ведущих авторов новых работ. Альтернативные варианты включают изменение поведения нейтрино и невидимой тёмной материи, добавление периода ускоренного расширения в ранней Вселенной или изменение фундаментальных констант природы.
«Мы использовали РИ в качестве детектора новых частиц или полей в ранней Вселенной, исследуя ранее неизведанные области, — говорит Хилл. — Данные АКТ не показывают никаких признаков таких новых сигналов. Благодаря нашим новым результатам стандартная модель космологии прошла необычайно точную проверку».
«Нас немного удивило, что мы не нашли даже частичных свидетельств в пользу более высокого значения», — говорит Стаггс. «Было несколько областей, где, как мы думали, мы могли бы увидеть доказательства для объяснения [хаббловской] напряжённости, но их просто не было в данных».
Пионер нового этапа в космических наблюдениях
Фоновое излучение, измеренное АКТ, очень слабое. «Чтобы провести новое измерение, нам потребовалась 5-летняя экспозиция с чувствительным телескопом, настроенным на наблюдение света миллиметровых волн», — говорит Девлин. «Наши коллеги из Национального института стандартов и технологий предоставили детекторы с передовой чувствительностью, а Национальный научный фонд поддерживал миссию АКТ на протяжении более двух десятилетий, чтобы мы смогли достичь этой цели».
Наблюдая за небом, АКТ также видит свет, излучаемый другими объектами в космосе. «Мы можем проследить всю историю космоса, — говорит Данкли, — от нашего Млечного Пути до далёких галактик, в которых находятся огромные чёрные дыры, и огромных скоплений галактик, вплоть до того времени, когда Вселенная была ещё младенцем».
АКТ завершила свои наблюдения в 2022 году, и теперь внимание учёных переключается на новую, более мощную обсерваторию Симонс, расположенную в том же месте в Чили. Новые данные АКТ размещены в открытом доступе в архиве НАСА LAMBDA.
