Самый старый свет во вселенной

Пятьдесят лет назад два радиоастронома из Bell Labs обнаружили слабый, постоянно присутствующий гул в их телескопе, который они не могли идентифицировать. После исключения радиопередач, радиолокационных сигналов, слишком теплого приемника и даже помета от голубей, гнездящихся внутри прицела, они поняли, что обнаружили мягкую космическую статику, исходящую из-за пределов нашей галактики. Действительно, казалось, что он заполнил все пространство.

Перенесемся на пять десятилетий вперед, и у статики есть хорошо известное имя: космический микроволновый фон, или CMB. Далеко от безликого гула эти слабые холодные фотоны, достаточно энергичные, чтобы поднять термометр выше абсолютного нуля, были определены как послесвечение большого взрыва.

Этот свет - самый старый из когда-либо наблюдавшихся - предлагает детскую картину очень ранней вселенной. Как рано? Самый последний результат, объявленный исследователями эксперимента BICEP2 в День Святого Патрика 2014 года, использовал чрезвычайно слабые сигналы, отпечатанные на фотонах CMB, чтобы достичь первой триллионной триллионной доли триллионной секунды после большого взрыва - почти больше космической сонограммы, чем детская картина. Это изображение стало первым прямым доказательством эры космической инфляции, когда само пространство взлетело наружу в период расширения с турбонаддувом.

Фотоны CMB могут рассказать нам больше. В сочетании с теоретическими моделями космического роста и эволюции текущие исследования позволят расширить этот взгляд на очень раннюю вселенную и одновременно смотреть в будущее. Цель состоит в том, чтобы создать целый альбом, описывающий рост вселенной с самых моментов ее рождения до наших дней.

Дальнейшие исследования обещают четкое понимание того, какая из множества различных моделей инфляции сформировала нашу вселенную, и могут также помочь нам понять темную материю, темную энергию и массу нейтрино - если исследователи смогут прочитать CMB достаточно подробно.

Это не так просто, потому что послесвечение исчезло. Во время своего эпического путешествия на 13 миллиардов лет свет, который изначально вспыхнул во Вселенной, растянулся на само пространство, а его волны растут в миллиарды раз дольше, холоднее и тише.

Реликтовое излучение

Стандартная модель космологии гласит, что около 13,8 миллиардов лет назад Вселенная родилась из невообразимо горячего, плотного состояния. До того, как прошла одна секунда, космическая инфляция увеличила объем вселенной на величину, которая варьируется в зависимости от конкретной модели, но всегда имеет 10, за которыми следуют от 30 до 80 нулей.

Когда инфляция ударила по тормозам, оставшаяся энергия от этого расширения создала многие частицы, которые мы видим вокруг нас сегодня: глюоны, кварки, фотоны, электроны и их большие братья, мюоны и таусы, и нейтрино. Изначальные фотоны рассеивались от свободно плавающих электронов, подпрыгивая внутри газового облака, которым была Вселенная. Сотни тысяч лет спустя космическое облако частиц настолько остыло, что отдельные протоны и ядра гелия могли захватывать электроны, необходимые для образования нейтрального водорода и гелия. Это округлило свободные электроны, очистив туман и выпустив фотоны. Вселенная начала сиять.

Эти фотоны являются космическим микроволновым фоном. Хотя сейчас они слабые, они повсюду; Фотоны CMB омывают Землю - и любую другую звезду, планету, черную дыру и кусок камня во вселенной - в их холодном свете.

Космические сонограммы

последнее большое открытие из данных CMB заглядывает назад в самые ранние моменты вселенной.

Используя передовые датчики, телескоп BICEP2, расположенный на Южном полюсе, обнаружил тип сигнала, который был предсказан в той или иной степени каждой версией теории инфляции: тип поляризации света CMB, называемый «B-режим». поляризация «.

Согласно теориям, крошечные изменения в энергии прединфляционной вселенной вызвали первичные гравитационные волны - рябь в ткани пространства-времени - которые раздулись наружу с инфляцией. Еще до того, как они превратились в CMB, фотоны взаимодействовали с этими пульсациями, в результате чего длины волн фотонов приобрели небольшой поворот. Именно этот поворот коллаборация BICEP2 измеряла как вращающуюся картину поляризации.

«BICEP2 четко обнаружил поляризацию B-моды в точных угловых масштабах, прогнозируемых инфляцией», - говорит Чао-Лин Куо, один из четырех главных исследователей эксперимента и ученый из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC. «Это невероятное сочетание больших теоретических идей, командной работы, сосредоточенности и передовых технологий. Разработка серийных сверхпроводящих детекторов поляризации и квантовых датчиков тока существенно повлияла на наш успех в переходе на B-моды ».

Открытие такого масштаба требует дальнейшего подтверждения - не сигналов, которые были очень четкими, а их инфляционного происхождения. Если это произойдет, сигналы поляризации B-моды также дадут ученым более подробную информацию о произошедшем инфляционном событии. Например, он может рассказать нам об энергетическом масштабе вселенной - по существу, о количестве энергии, выливаемой в момент инфляции. Результат BICEP2 составляет около 1016 миллиардов электронвольт. Для сравнения, самые мощные протонные пучки Большого адронного коллайдера сошлись вместе на 104 миллиарда электронвольт - число с на 12 меньшими нулями, чем в первом.

Такая информация может помочь ученым определить, какая из множества моделей инфляции действительно описывает начало нашей вселенной. По мнению Уолта Огберна, научного сотрудника Стэнфордского университета и члена команды BICEP2, первый взгляд на изначальную поляризацию B-моды делает нечто большее, чем просто превращает инфляционную теорию в реальность: она прорывается в неизведанную область в физике высоких энергий. «То, что стимулировало инфляцию, отсутствует в Стандартной модели», - говорит Огберн. По определению, доказательство инфляции свидетельствует о том, что есть еще кое-что еще, что еще не обнаружено, и что что-то большое, что мы еще не полностью понимаем, помогло развить раннюю вселенную.

Детская фотография

Обнаружение поляризации B-моды является последним в длинной цепочке научных открытий, основанных на информации, полученной от этих скудных слабых фотонов.

Первые успехи в исследовании CMB появились почти через два десятилетия после его выявления. Начиная с Relikt-1, советского спутникового эксперимента, начатого в 1983 году и продолжающегося вплоть до настоящего времени, различные воздушные шары и спутники отображали температуру CMB. Они обнаружили, что по всему небу было 2,7 Кельвина, с небольшими разбросанными колебаниями температуры, составляющими примерно одну часть на 100 000.

На этой температурной карте космологи увидели образ детской вселенной.

«Мы извлекли огромное количество из температурных моделей», - говорит Лайман Пейдж, также космолог из Принстона. Пейдж был одним из первых исследователей того, что до этого года было, вероятно, самым известным инструментом CMB, микроволновым зондом анизотропии Уилкинсона. Сейчас он занимается космологическим телескопом Atacama, и мало кто знает, как заставить CMB раскрыть свои секреты.

Пейдж объясняет, что как общее сходство температуры, так и характер этих незначительных изменений говорили космологам, что когда Вселенная началась, она была достаточно компактной, чтобы находиться в тепловом равновесии: плотная, почти безликая плазма огромных энергий. Но внутри этой плазмы квантовые флуктуации вызывали крошечные изменения плотности энергии.

Часть микроволнового неба, нанесенная на карту с помощью Уилкинсонского микроволнового зонда анизотропии. Цвета соответствуют небольшим температурным различиям, которые обеспечили шаблон для формирования крупномасштабной структуры во вселенной.

НАСА

Затем, во время космической инфляции, пространство огромно выросло во всех направлениях. Это усиливало вариации, как надувающийся воздушный шар расширяет пятна чернил, распыляемые на него, в все более и более крупные пятна.

Это тот же процесс, который генерировал гравитационные волны, отображаемые BICEP2. Гравитационные волны оставили внушительные закрученные поляризационные структуры в CMB, не делая ничего другого. Тем не менее, плотные области - «пятна» на гладкой карте неба - стали важными семенами всех структур во вселенной.

Они росли и охлаждались, превращаясь из вариаций плотности энергии в вариации плотности вещества. Более плотные области привлекли больше материи, поскольку вселенная продолжала расширяться, в конечном счете создавая крупномасштабные структуры, которые мы видим сшитыми по всей вселенной сегодня.

По словам Пейджа, в сочетании с другими теориями и измерениями изменения температуры дают убедительные доказательства того, что наша Вселенная началась с Большого взрыва. Они также помогли космологам улучшить оценки того, сколько темной материи и темной энергии существовало в ранней вселенной (и, вероятно, все еще существует сегодня), и поддержали идею о том, что геометрия вселенной плоская.

«CMB - действительно красивый сигнал», - говорит Джон Карлстрем из Чикагского университета, который, как и Пейдж, является экспертом по извлечению информации из нескольких слабых фотонов. Он возглавляет проект телескопа «Южный полюс», в котором используется несколько инструментов, установленных на телескопе недалеко от BICEP2, чтобы узнать больше о CMB. Сигнал, продолжает он, предлагает «очень точные измерения условий при рекомбинации» - так называется время, когда фотоны CMB вышли из первичного облака охлаждающей плазмы.

Эти температурные карты - в сочетании с первичными сигналами B-режима, обнаруженными BICEP2 - охватывают период времени от крошечной доли секунды после рождения вселенной до примерно 380 000 лет после этого. В ближайшие годы космологи хотят расширить эту картину, включив в нее все, что произошло за более чем 13 миллиардов лет с момента рекомбинации. Существует много предсказаний о том, что произошло в течение этого огромного промежутка времени, но ученым нужны надежные эмпирические данные для сравнения их теоретических моделей.

BICEP2 выявил слабый, но характерный поворот в схеме поляризации CMB. Здесь линии представляют поляризацию; красный и синий оттенки показывают степень закручивания по часовой стрелке и против часовой стрелки.

BICEP2

Заполнение фотоальбома

Фотоны CMB имеют более важную информацию, и новое поколение экспериментов прислушивается к тому, что они говорят. Расположенные в основном в высоких, сухих и холодных пустынях Южного полюса и плато Атакама в Чили, или в высоко летающих воздушных шарах, которые возвышаются над большей частью атмосферы, новые инструменты используют CMB для уточнения наших знаний о том, как развивалась Вселенная. ,

Когда фотоны CMB путешествовали по вселенной, они притягивались туда-сюда гравитацией, свидетельствуя обо всем, что происходило на их пути от начала и до наших дней. Используя эти фотоны в качестве посланников, новые инструменты помогают ученым тщательно дразнить историю того, что фотоны видели в своем путешествии.

Например, взаимодействие с горячим газом, который окружал и проникал в скопления галактик, оставило след на некоторых фотонах в виде крошечного увеличения энергии, которое можно обнаружить как очень небольшую корректировку температурной карты.

Новые приборы также измеряют другой тип поляризации в B-моде, добавляемый к фотонам CMB долгое время после инфляции. Этот тип закручивания возникает, когда фотоны соприкасаются с гравитацией крупномасштабных космических структур, включающих как обычную материю, так и темную материю, и он был впервые обнаружен только в прошлом году SPTpol, чувствительной к поляризации микроволновой камерой, установленной на Южный Полюс Телескоп.

Взятые вместе, эти измерения крошечных разностей температур и поляризации могут помочь ученым составить карту распределения материи с течением времени и улучшить оценки того, сколько во Вселенной состоит из темной материи по сравнению с нормальной материей, которую мы видим в звездах и планетах. Это также может помочь выявить разницу между расширением из-за импульса, оставшегося от большого взрыва, и расширением из-за темной энергии. Это даст точную четырехмерную карту вселенной, раскрывающую движение материи в пространстве и времени.

Дальнейшие измерения готовы раскрыть больше информации о вкладе в наш космос крошечной частицы с большими последствиями: нейтрино. Его масса в настоящее время неизвестна с какой-либо респектабельной точностью, однако это число имеет большое значение для предсказаний относительно влияния нейтрино на растущую вселенную.

Эксперименты до сих пор видели три типа нейтрино, но некоторые теории предсказывают четвертый тип, также называемый стерильным нейтрино.

«Нейтрино - вторая самая многочисленная частица во вселенной - после фотонов», - говорит Брэдфорд Бенсон, ученый из Fermilab и член команды SPTpol. «Общая масса всех нейтрино во вселенной должна, по крайней мере, равняться массе всех звезд».

Когда Вселенная была меньше, эта масса нейтрино могла оказать существенное влияние на развивающуюся структуру Вселенной. Когда Вселенная расширилась, произошли две вещи: скопления более тяжелых, медленно движущихся частиц стали еще больше, втягивая больше вещества, в то время как легкие быстрые нейтрино ускользали; и пространство расширилось, в то время как число нейтрино осталось таким же, что, поскольку их плотность уменьшилась, их гравитационное влияние также уменьшилось.

По мере того, как они путешествовали среди растущих космических структур, фотоны CMB регистрировали эти изменения в относительной плотности нейтрино. Ученые в настоящее время изучают эту запись, чтобы определить, как со временем развивалось влияние нейтрино, и могут использовать эту информацию для оценки их массы. В сочетании с измерениями CMB темной материи и расширением за счет темной энергии ученые ожидают, что это исследование улучшит их представление о прошлом и настоящем Вселенной, выявив, как материя и энергия взаимодействовали в ранней Вселенной, чтобы создать вселенную, которую мы видим сегодня.

Старый свет, новая наука

Использование CMB для обнаружения первичных гравитационных волн было огромным шагом вперед. «Что действительно удивительно, так это то, что CMB все еще может скрывать больше секретов даже после того, как мы нашли святой Грааль», - говорит Куо, имея в виду открытие BICEP2.

Карты температуры, рассеянные фотоны и искаженный свет еще могут рассказать нам больше. В течение следующего десятилетия измерения CMB готовы помочь нам понять огромные силы большого взрыва, осветить физику ранней вселенной и объяснить материю и энергию, которые мы видим вокруг нас сегодня.

«Наличие этого сигнала помогло превратить космологию в точную науку», - говорит Карлстрем. «Мы перешли от того, что нам сказали:« Вы, ребята, действительно не знаете, что вы измеряете », к проведению независимых измерений с уровнями точности, которые конкурируют с физикой частиц».

И выгоды только увеличиваются. «Изучение CMB - это фантастическое поле, очень богатое поле», - говорит Пейдж. «Микроволновый фон все еще будет полезным инструментом через 20 лет».

Это не плохо для нескольких холодных фотонов.

Похожие

Комментарии