С помощью массива радиотелескопов IRAM NOEMA ученые провели исследование холодного водяного облака, которое оказалось причиной частичного затемнения реликтового излучения. Возраст этого объекта оценивается примерно в 13 миллиардов лет, а «тень», возникающая из-за поглощения более теплого микроволнового излучения на пути к Земле, дает представление о температуре ранней Вселенной – важном аспекте для понимания ее развития. Подробности наблюдений и интерпретация полученных данных опубликованы в журнале Nature.
«Мы осуществили новый тип измерений, позволивший определить температуру «космического фонового излучения», которое заполняло молодую Вселенную. Это излучение, являющееся остатком горячей фазы Большого взрыва, постоянно остывает, и его температура в ранние эпохи, а именно через 880 миллионов лет после Большого взрыва, имеет решающее значение для проверки современных космологических теорий», – объясняют авторы научной работы.
Охлаждающаяся Вселенная
Около 13,8 миллиардов лет назад, во время Большого взрыва, Вселенная была чрезвычайно плотной и представляла собой горячую плазму, которая в процессе быстрого расширения начала остывать. Наряду с плазмой остывало и тепловое излучение – фотоны, взаимодействуя с заряженными частицами, постепенно теряли энергию.
Спустя несколько сотен тысяч лет плазма охладилась настолько, что стала возможна атомизация. Однако по мере ее остывания интенсивность теплового излучения и высокоэнергетических фотонов уменьшалась. К 380-тысячному году почти все атомные ядра (преимущественно водород с небольшим количеством гелия-4) объединились с электронами, образовав электрически нейтральные атомы. С этого момента взаимодействие между ними и оставшимся тепловым излучением стало минимальным. С тех пор это излучение, известное как «реликтовое», продолжает распространяться в пространстве практически без изменений.
«Ключевым моментом здесь является фундаментальный принцип астрономии: свету требуется определенное время для преодоления расстояния до наблюдателя. Поэтому, с земной перспективы, мы никогда не можем увидеть объекты в том виде, в котором они существуют на данный момент. Наши наблюдения всегда сопровождаются временным лагом; например, свет от Солнца достигает нас с задержкой примерно в 8 минут, показывая его таким, каким оно было тогда. Аналогично, галактика Андромеды предстает перед нами в образе, который она имела около 2,5 миллиона лет назад», – объяснили исследователи.
Окно в эпоху раннего расширения Вселенной
Это подразумевает, что мы потенциально можем наблюдать реликтовое излучение, оставшееся от самых первых моментов существования космоса! Если продолжать увеличивать дальность нашего взгляда, то есть фокусироваться на областях, свет от которых шел к нам в течение 13,8 миллиардов лет, мы увидим эти регионы такими, какими они были в эпоху Большого взрыва.
«Следует также учитывать один существенный фактор: с момента своего возникновения Вселенная постоянно расширяется, что привело к постепенному охлаждению первичного теплового излучения. Это охлаждение полностью определяется одним ключевым параметром – температурой. Современные космологические модели описывают влияние космического расширения на эту температуру достаточно просто: если расстояния между удаленными галактиками увеличились вдвое, то и температура реликтового излучения также уменьшится вдвое», – подчеркивают авторы исследования.
Начиная с момента возникновения космического микроволнового фонового излучения, Вселенная увеличила свои размеры приблизительно в тысячу сто раз. В настоящее время оно достигает Земли преимущественно как низкоэнергетическое микроволновое излучение.
Существенная взаимосвязь между расширением Вселенной и температурой реликтового излучения делает его источником чрезвычайно важной информации. Получение данных о температуре этого излучения в различные эпохи космического развития позволило бы детально восстановить историю расширения космоса. Такая «временная шкала расширения» представляет собой один из ключевых наборов данных, тесно связанных с одной из главных загадок современной космологии – темной энергией, компонентом, заполняющим пространство и определяющим его ускоренное расширение.
Отслеживание космического расширения
Непосредственные измерения способны подтвердить наличие связи между расширением Вселенной и охлаждением реликтового излучения. Выявление каких-либо отклонений от прогнозируемых закономерностей может оказать существенное влияние на понимание природы таинственной темной энергии.
«Важно отметить, что отклонение от прямой зависимости можно было бы предвидеть в моделях, где темная энергия подвергается «распаду», передавая часть своей энергии обычному веществу и излучению, что должно замедлить процесс остывания реликтового излучения. Некоторые модели другой крупной загадки космологии – темной материи – также могут включать подобные эффекты», – заключают авторы исследования.
Тем не менее, определение температуры реликтового излучения в различные эпохи эволюции Вселенной представляет собой непростую задачу.
Определение температуры космоса через 880 миллионов лет после Большого взрыва.
В центре внимания исследования оказалось облако водяного пара, расположенное в галактике с интенсивным звездообразованием HFLS3. Космический микроволновый фон воздействует на это облако подобно источнику света, который наблюдатель видит сквозь него.
«Облако водяного пара имеет более низкую температуру по сравнению с реликтовым излучением. В связи с этим оно создает своего рода «тень» на космическом микроволновом фоне, и анализ этой тени позволяет оценить разницу температур», – отмечают авторы научной работы.
На основании проведенных астрономических наблюдений ученые сделали вывод о том, что температура реликтового излучения в рассматриваемый период времени находилась в диапазоне от -256,75 до -242,95 градусов Цельсия. Этот результат соответствует прогнозам современных космологических теорий, которые учитывают взаимосвязь между понижением температуры реликтового излучения и историей расширения Вселенной.
«Представленные данные предоставляют ценные новые сведения об эволюции Вселенной и указывают на то, что в ранний период своего существования космос обладал рядом уникальных характеристик, существенно отличающихся от тех, которые наблюдаются в настоящее время», – отметили авторы научной работы.
