Астрономы измерили температуру ранней Вселенной — Ин-Спейс

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.

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.

2
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.

Астрономы измерили температуру ранней Вселенной - Ин-Спейс

Художественное представление эволюции Вселенной, начиная с Большого Взрыва (слева) и появления космического микроволнового фона. Образование первых звезд закончило темные века, за которыми последовало образование галактик. Credit: M. Weiss/CfA

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 миллионов 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.

Астрономы измерили температуру ранней Вселенной - Ин-Спейс

GN-z11 – самая далекая галактика из известных. Credit:
NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University)

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.

Источник