«Колебания» энергетических волн над Землей могут хранить историю Вселенной
«Изучение реликтового излучения от начала Вселенной имеет решающее значение для понимания того, как возник весь космос и почему он такой, какой он есть».
Телескопы CLASS наблюдают за ночным небом, чтобы увидеть колебания энергии космического микроволнового фона. (Изображение предоставлено: Университет Джонса Хопкинса)
Измеряя, как энергетические волны колеблются в небе над Землей, ученые нашли способ углубиться в историю нашей Вселенной, возраст которой составляет 13,8 миллиардов лет, начиная с ее «первого света».
Команда, возглавляемая астрофизиками из Университета Джона Хопкинса, использовала массив микроволновых телескопов под названием Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS), чтобы нанести на карту 75% неба над Землей. Эта обсерватория расположена в горном массиве Анд, примерно на высоте 16 860 футов (5138м) над чилийской пустыней Атакама.
Измерения, проведенные CLASS, связаны с «микроволновой поляризацией», связанной с направлением, в котором выравниваются волны света. Эти измерения помогут ученым отфильтровать длину волны излучения, исходящего от Млечного Пути, связанного с первым светом Вселенной, небесным ископаемым, называемым «космическим микроволновым фоном» или КМФ.
«Изучая поляризацию реликтового излучения, астрофизики смогут сделать вывод о том, какой должна была быть Вселенная в более ранние времена», — заявил в своем заявлении Тобиас Брак, соруководитель группы и профессор физики и астрономии Университета Джонса Хопкинса. «Астрофизики могут вернуться в очень, очень ранние времена — начальные условия, самые первые моменты, когда материя во Вселенной и распределение энергии впервые возникли — и могут связать все это с тем, что мы видим сегодня».
Расшифровка космического ископаемого
Реликтовое излучение состоит из остатков света события, произошедшего примерно через 380 миллионов лет после Большого взрыва в период, называемый «эпохой рекомбинации». До этого момента Вселенная была заполнена горячей плотной плазмой, что делало ее непрозрачной. Эти так называемые космические темные века были вызваны свободными электронами, бесконечно прыгающими вокруг частиц света, называемых фотонами .
Затем началась эпоха рекомбинации, когда Вселенная расширилась и достаточно остыла, чтобы позволить электронам связываться с протонами, создавать первые атомы и давать начало самому легкому и простому элементу Вселенной: Водороду. Внезапное отсутствие свободных электронов означало, что фотоны мгновенно получили свободу путешествовать, и Вселенная стала прозрачной для света.
Этот первый свет сегодня виден как КМФ.
Поскольку оно возникло в те времена, когда Вселенная была намного плотнее, чем сегодня, реликтовое излучение было распространено почти равномерно по всему космосу. Тем не менее, в реликтовом излучении существуют крошечные вариации, и поскольку это излучение существует уже около 13,4 миллиардов лет, именно эти вариации рассказывают историю материи и то, как развивалось ее распределение. Сюда входит образование первых звезд, галактик и галактических скоплений.
«Изучение реликтового излучения от зарождения Вселенной имеет решающее значение для понимания того, как весь космос появился и почему он стал таким, какой он есть», — Найджел Шарп, программный директор Отдела астрономических наук Национального научного фонда. «Эти новые измерения предоставляют важные крупномасштабные детали в нашей растущей картине изменений, присутствующих в космическом фоновом излучении — достижение, которое особенно впечатляет, поскольку оно было достигнуто с использованием наземных инструментов».
(Вверху) Новые карты поляризационного неба CLASS с меньшим шумом, чем соответствующие спутниковые карты (внизу). Направление поляризации показано красным и синим цветом, а сила поляризации определяется глубиной цвета.
Карты CLASS дают представление о микроволновом сигнале, называемом линейной поляризацией, который излучается, когда свет ограничен одной плоскостью. Линейная поляризация микроволн является результатом того, что магнитное поле Млечного Пути гонит электроны на высоких скоростях. Таким образом, этот сигнал может помочь в изучении Млечного Пути, но он также может помешать исследованию ранней Вселенной с помощью реликтового излучения.
Создав четкую карту микроволнового неба и позволив ученым отфильтровывать линейно поляризованные микроволны, CLASS может улучшить наше понимание физических процессов, существовавших в ранней Вселенной. Эти процессы могли бы создать фон круговой поляризации. Круговая поляризация возникает, когда свет ведет себя как двумерная поперечная волна; он отличается от микроволн с линейной поляризацией.
Линейная поляризация против круговой поляризации.(Изображение предоставлено: Public Domain)
«Очень важно знать яркость излучения нашей галактики Млечный Путь, потому что это то, что нам нужно скорректировать, чтобы выполнить более глубокий анализ космического микроволнового фона», — сказал Джозеф Эймер, ведущий автор исследования и астрофизик из Университета Джона Хопкинса, говорится в заявлении. «CLASS очень успешно характеризует природу этого сигнала, чтобы мы могли распознать его и удалить эти примеси из наблюдений».
Предоставив эти новые результаты, CLASS установил новый стандарт для картирования поляризации света, открыв новые возможности для обсерватории, базирующейся на Земле, которой, возможно, придется бороться с помехами со стороны атмосферы нашей планеты.
«Этот проект находится на переднем крае продвижения наземных измерений поляризации в крупнейших масштабах», — заключил Элмер.
Исследование команды было опубликовано 26 февраля в The Astrophysical Journal.
