Найдавніше світло у Всесвіті почало подорож крізь космос невдовзі після Великого Вибуху. Відоме як космічний мікрохвильовий фон, воно непомітне для людського ока. Але якщо науковці зможуть зафіксувати його за допомогою одних із найчутливіших детекторів, коли-небудь створених, це може розповісти нам про те, як формувався та розвивався з часом Всесвіт.

Дослідники опублікували безпрецедентно чутливі результати вимірювання космічного мікрохвильового фону, отримані за два роки спостережень за допомогою модернізованої камери на Телескопі Південного полюса (South Pole Telescope). Телескоп, розташований на антарктичній станції Амундсен-Скотт Національного наукового фонду та фінансований спільно Національним науковим фондом і Міністерством енергетики США, був спеціально розроблений для створення мап розподілу дуже слабкого випромінювання мікрохвильового фону.

Результати, опубліковані 25 червня, вражають — точність дрібних деталей космічного мікрохвильового фону перевищує всі попередні вимірювання, навіть ті, що були зроблені з космосу. У поєднанні з даними від інших наземних телескопів це надає новий орієнтир для обмеження можливих відповідей на основні питання про Всесвіт.

«Це переломний момент для космології космічного мікрохвильового фону», — сказав Том Кровфорд (Tom Crawford), заступник директора Телескопа Південного полюса та професор-дослідник Чиказького університету. «Це відкриває нову еру, в якій наше розуміння Всесвіту буде значною мірою покращено завдяки наземним експериментам з космічним мікрохвильовим фоном».

Нові показники дають змогу робити перехресну перевірку нашої фундаментальної моделі Всесвіту. Зі збільшенням обсягу даних, це загострить деякі перевірки важливих невирішених питань космології, таких як природа темної енергії та швидкість розширення Всесвіту.

Космічні обмеження

Космічний мікрохвильовий фон, який іноді називають післясвітінням Великого Вибуху, виник понад 13 мільярдами років, тобто майже одразу після формування нашого всесвіту. Це робить його неймовірно багатим джерелом інформації — якщо ви можете його зареєструвати.

Це випромінювання надзвичайно слабке, а його зміни (варіації) ще слабші. Щоб тільки мати шанс його вловити, потрібне дуже ясне небо та ідеально сухі умови для спостереження, і те, й інше можна знайти в Антарктиді.

Телескоп Південного полюса, яким керує колаборація під керівництвом Чиказького університету, картографує це світло з 2007 року. Протягом багатьох років на телескопі було встановлено кілька камер, але остання, відома як SPT-3G, має на порядок більше детекторів, ніж попередні версії. Найновіші дані отримано зі спостережень у 2019 та 2020 роках і стосуються перших двох років роботи SPT-3G на повну потужність. Вони охоплюють приблизно 1/25 площі неба, а мапа розподілу випромінювання, побудована за цими даними, є найдокладнішою, ніж будь-яке інше вимірювання такого роду.

Одним з основних способів використання цих даних є встановлення обмежень на численні можливі відповіді на наші запитання про Всесвіт, такі як те, як він утворився та які фундаментальні закони керують його еволюцією. Дані, отримані з космічного мікрохвильового фону, допомагають науковцям зібрати все разом в цілісну картину.

Найкраща на даний момент модель, що пояснює формування Всесвіту, відома як Лямбда-CDM. Однак нещодавні дослідження дали спокусливі натяки на те, що Лямбда-CDM може бути не повною картиною. Також тривають дебати щодо швидкості розширення Всесвіту, відомої як «напруга Габбла», що матиме значні наслідки для нашого розуміння Всесвіту і в якому космічний мікрохвильовий фон відіграє визначальну роль.

Нові обмеження, отримані за допомогою Телескопа Південного полюса, опубліковані в статті, яку написали Етьєн Камфюї (Etienne Camphuis) з Інституту астрофізики Парижа та Вей Цюань (Wei Quan) з Арґонської національної лабораторії, значно уточнюють цю картину.

За словами дослідників, результати незалежно підтверджують напругу Габбла з дуже високою статистичною значущістю. При цьому вони узгоджені з іншими обмеженнями космічного мікрохвильового фону, зокрема й тими, що отримані за допомогою супутника «Планк» (Planck) та Атакамського космологічного телескопа (Atacama Cosmology Telescope) в Чилі.

Вони також загострюють нову аномалію в нашій космологічній картині — розбіжність між обмеженнями космічного мікрохвильового фону та тими, що отримані в результаті масштабних досліджень руху галактик (особливо нещодавніх результатів, отриманих за допомогою Спектроскопічного приладу темної енергії).

Збільшення з часом кількості даних від SPT-3G буде забезпечувати дедалі потужніший незалежний спосіб перевірки гіпотез. «Якщо справді є відхилення від стандартної моделі, ми зможемо побачити його набагато чіткіше за допомогою цих майбутніх наборів даних», — сказав Цюань. «Якщо це реальний сигнал, він буде посилений».

Золотий стандарт із поверхні Землі

Раніше золотим стандартом вимірювань космічного мікрохвильового фону були дані супутника Planck, отримані понад десять років тому. Тепер нові дані від Телескопа Південного полюса, у поєднанні з даними від Атакамського космологічного телескопа, встановлюють новий стандарт — момент, якого багато хто в цій галузі чекав, кажуть науковці.

Космічні телескопи, такі як Planck, мають перевагу в чіткості зображень, бо атмосфера Землі не заважає спостереженням. Але керувати наземним телескопом значно легше. Створити складний інструмент для роботи навіть у такому суворому місці, як Антарктида, набагато легше, ніж розробити щось, що має витримати запуск ракети та умови в космосі. «Якщо щось зламається на наземному телескопі, ви можете підійти та полагодити це», — сказав Бред Бенсон (Brad Benson), доцент кафедри астрономії та астрофізики в Чиказькому університеті та директор з технічної підтримки Телескопа Південного полюса. «Ви не можете зробити це в космосі».

Досягнення у виготовленні детекторів та конструкцій нарешті дають змогу наземним телескопам зрівнятися або конкурувати з даними від Planck. «Роками “Планк” фактично один визначав нашу космологічну модель», — сказав Камфюї. «Однак у науці важливо підтверджувати вимірювання. Завдяки Телескопу Південного полюса та Атакамському космологічному телескопу ми тепер маємо майже повністю незалежний набір вимірювань зі схожою обмежувальною силою».

Оприлюднені результати становлять менше чверті даних, отриманих за допомогою SPT-3G на Телескопі Південного полюса. «Це лише початок», — сказав Кровфорд. «Картина ставатиме лише цікавішою».

За інф. з сайту https://phys.org