Новое исследование, проведённое в сотрудничестве с телескопом "Акатама" (ACT), позволило получить самые чёткие изображения младенчества Вселенной — самого раннего космического периода, доступного человеку. Измеряя свет, который преодолевал более 13 миллиардов лет, чтобы достичь телескопа, расположенного высоко в чилийских Андах, учёные получили новые изображения Вселенной, когда ей было около 380 000 лет — это эквивалентно детским фотографиям космоса, сделанным несколько часов назад.

Мы видим первые шаги на пути к созданию самых ранних звёзд и галактик. И мы видим не просто свет и тьму, мы видим поляризацию света в высоком разрешении. Это определяющий фактор, отличающий ACT от "Планка" и других более ранних телескопов.

Сюзанна Стэггс, директор ACT и профессор физики Генри де Вулфа Смита в Принстонском университете

Новые снимки этого фонового излучения, известного как космическое микроволновое фоновое излучение (CMB), имеют более высокое разрешение, чем те, что были получены более десяти лет назад космическим телескопом "Планк". Сигурд Нэсс, исследователь из Университета Осло и ведущий автор одной из нескольких статей, связанных с проектом пояснил, что у ACT в пять раз выше разрешение, чем у "Планка", и выше чувствительность. Это означает, что слабый сигнал поляризации теперь можно увидеть напрямую. Поляризационное изображение показывает детальное движение водорода и гелия в ранней Вселенной.

Раньше мы могли видеть, где что находится, а теперь мы также видим, как это движется.  Подобно тому, как по приливам и отливам можно судить о присутствии Луны, движение, отслеживаемое по поляризации света, показывает, насколько сильна гравитация в разных частях космоса.

Сюзанна Стэггс, директор ACT и профессор физики Генри де Вулфа Смита в Принстонском университете

Новые результаты подтверждают простую модель Вселенной и исключают большинство конкурирующих альтернатив, сообщает исследовательская группа. Работа ещё не прошла экспертную оценку, но исследователи представят свои результаты на ежегодной конференции Американского физического общества 19 марта.

Измерение младенчества вселенной

В первые несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва первичная плазма, заполнявшая Вселенную, была настолько горячей, что свет не мог свободно распространяться, и Вселенная была практически непрозрачной. Реликтовое излучение представляет собой первую стадию в истории Вселенной, которую мы можем наблюдать, — по сути, это "младенческая фотография" Вселенной.

Новые изображения дают удивительно чёткое представление о очень, очень незначительных изменениях плотности и скорости газов, заполнявших молодую Вселенную. Существуют и другие современные телескопы, измеряющие поляризацию с низким уровнем шума, но ни один из них не охватывает такую большую часть неба, как ACT. То, что выглядит как туманные облака в зависимости от интенсивности света, — это более и менее плотные области в море водорода и гелия — холмы и долины, простирающиеся на миллионы световых лет. В течение следующих миллионов и миллиардов лет гравитация притягивала более плотные области газа внутрь, формируя звёзды и галактики. Эти подробные изображения новорождённой Вселенной помогают учёным ответить на давние вопросы о происхождении Вселенной.

Оглядываясь назад, 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.

Джо Данкли, профессор физики и астрофизических наук имени Джозефа Генри в Принстонском университете и руководитель анализа ACT

Специалисты более точно измерили, что наблюдаемая Вселенная простирается почти на 50 миллиардов световых лет во всех направлениях от нас и содержит столько же массы, сколько 1900 "зетта-Солнц", или почти 2 триллиона триллионов Солнц, по словам Эрминии Калабрезе, профессора астрофизики в Университете Кардиффа. Она добавила, что из этих 1900 зетта-звёзд масса обычной материи — той, которую мы можем видеть и измерять, — составляет всего 100. Ещё 500 зетта-звёзд — это загадочная тёмная материя, а 1300 — это доминирующая энергия вакуума (также называемая тёмной энергией) в пустом пространстве.

Почти весь гелий во Вселенной был произведен за первые три минуты космического времени. Наши новые измерения его распространенности очень хорошо согласуются с теоретическими моделями и наблюдениями в галактиках.

Тибо Луи, исследователь CNRS из IJCLab Университета Париж-Сакле и один из ведущих авторов новых работ

Элементы, из которых состоим мы, люди, — в основном углерод, а также кислород, азот, железо и даже следы золота — образовались позже в звёздах и являются лишь малой частью этого космического супа. Новые измерения ACT также позволили уточнить оценки возраста Вселенной и скорости её расширения сегодня. Падение материи в ранней Вселенной распространяло звуковые волны в пространстве, подобно кругам на воде в пруду. Более молодой Вселенной пришлось бы расширяться быстрее, чтобы достичь своего нынешнего размера, и изображения, которые мы измеряем, казались бы нам более близкими", — объясняет Марк Девлин, профессор астрономии Риз У. Флауэр в Университете Пенсильвании и заместитель директора ACT. 

Новые данные подтверждают, что возраст Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет с погрешностью всего 0,1%. Исследования, проведённые коллективом учёных, работающих с космологическим телескопом Атакама, позволили получить самые чёткие и точные изображения младенческой Вселенной — космического микроволнового фонового излучения, которое было видно всего через 380 000 лет после Большого взрыва. Эта новая карта неба подвергла стандартную космологическую модель тщательному новому набору тестов и показала, что она удивительно надёжна. Новые изображения ранней Вселенной, которые с беспрецедентной чёткостью показывают интенсивность и поляризацию самого раннего света, раскрывают формирование древних уплотняющихся облаков водорода и гелия, которые впоследствии превратились в первые галактики и звёзды.

Напряженность Хаббла

В последние годы космологи расходились во мнениях относительно постоянной Хаббла — скорости, с которой сегодня расширяется Вселенная. Измерения, проведённые с помощью реликтового излучения, неизменно показывают, что скорость расширения составляет от 67 до 68 километров в секунду на мегапарсек, в то время как измерения, проведённые с помощью движения ближайших галактик, указывают на то, что постоянная Хаббла составляет от 73 до 74 км/с/Мпк. Используя недавно опубликованные данные, команда ACT измерила постоянную Хаббла с повышенной точностью. Их измерения соответствуют предыдущим оценкам, полученным с помощью реликтового излучения.

Мы провели совершенно новое измерение неба, что позволило нам независимо проверить космологическую модель, и наши результаты показывают, что она верна.

Адриан Дуйвенвоорден, научный сотрудник Института астрофизики Макса Планка и ведущий автор одной из новых статей

Основной целью работы было изучение альтернативных моделей Вселенной, которые могли бы объяснить расхождение. Колин Хилл, доцент Колумбийского университета и один из ведущих авторов новых статей отмечает, что ученые хотели посмотреть, смогут ли найти космологическую модель, которая соответствовала бы известным данным и предсказывала более высокую скорость расширения. А альтернативные варианты включают изменение поведения нейтрино и невидимой тёмной материи, добавление периода ускоренного расширения в ранней Вселенной или изменение фундаментальных констант природы.

Мы использовали реликтовое излучение в качестве детектора для поиска новых частиц или полей в ранней Вселенной, исследуя ранее неизведанную территорию.

Колин Хилл, доцент Колумбийского университета

Данные ACT не показывают признаков таких новых сигналов. Благодаря нашим новым результатам стандартная космологическая модель прошла чрезвычайно точное испытание. Стэггс добавил, что специалистов немного удивило, что они не нашли даже частичных доказательств в поддержку более высокой оценки. Он указал, что оыло несколько областей, где, как исследователи думали, мы могли бы найти доказательства, объясняющие напряжение, но в данных их просто не было.

Пятилетняя экспозиция

Фоновое излучение, измеренное ACT, чрезвычайно слабое. Для того, чтобы провести это новое измерение, экспертам потребовалось пять лет наблюдений с помощью чувствительного телескопа, настроенного на миллиметровый диапазон длин волн. В результате представители Национального института стандартов и технологий предоставили детекторы с высочайшей чувствительностью, а Национальный научный фонд поддерживал миссию ACT на протяжении более двух десятилетий, чтобы ученые могли прийти к результату. Изучая небо, ACT также зафиксировал свет, испускаемый другими объектами в космосе. "Мы можем заглянуть в космическую историю — от  Млечного Пути, мимо далёких галактик с огромными чёрными дырами и гигантских скоплений галактик, вплоть до младенчества Вселенной".

Напомним, что ACT завершил свои наблюдения в 2022 году, и теперь внимание переключается на новую, более мощную обсерваторию Саймонса, расположенную в том же месте в Чили. Новые данные ACT публикуются в архиве LAMBDA НАСА.

Обнаружена гробница неизвестного древнеегипетского фараона.

Фото: