Космічне мікрохвильове фонове випромінювання (Сosmic microwave background radiation, CMBR) чи Космічний мікрохвильовий фон (Сosmic microwave background, CMB) є одним з основних доказів Великого Вибуху. Його описують як космічне післясвітіння від народження Всесвіту. Однак нові дослідження ставлять під сумнів наше розуміння цього випромінювання і того, що воно говорить нам про еволюцію Всесвіту.

Приблизно через 380 000 років після Великого Вибуху Всесвіт розширився та охолонув настільки, що протони та електрони змогли об’єднатися, утворивши атоми водню. Це зробило Всесвіт прозорим, а фотони могли вільно рухатися. Космічний мікрохвильовий фон, або реліктове випромінювання, походить з цього часу. Це перше світло, яке могло вільно проникати крізь космічний простір і подорожує Всесвітом вже понад 13 мільярдів років.

Мапа температурних коливань космічного мікрохвильового фону, отриману за даними дев’ятирічних спостережень зонда Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Кольорові відмінності показують температурні різниці вік яких становить 13,8 мільярдів років. Авторські права на зображення: NASA / WMAP Science Team. Фото з сайту www.universetoday.com.

Реліктове випромінювання найяскравіше в мікрохвилях, але було виявлене за допомогою радіотелескопів. Це слабке фонове світіння, не пов’язане з жодними зорями чи галактиками. Воно не ізотропне та має клочкувату структуру. Ці клоччя є незначними температурними відмінностями, що виникають через варіації щільності. Вони є зародками галактик та космічних структур. Дрібні деталі CMB можуть багато розповісти нам про те, як еволюціонував Всесвіт, але їх важко розпізнати, оскільки такі речі, як скупчення галактик, змінили це світіння.

З моменту запуску космічного телескопа Джеймса Вебба наше розуміння Великого Вибуху зіткнулося з глибшими питаннями. Телескоп виявив масивні, повністю сформовані галактики в ранньому Всесвіті, існування яких суперечить нашим космологічним моделям. Згідно з новим дослідженням, ці галактики раннього типу (early-type galaxies, ETG) можуть пояснити частину того, що ми бачимо як CMB. Якщо це так, то наше розуміння реліктового випромінювання буде порушене.

Космічний телескоп Джеймса Вебба виявив стародавні галактики лише за кілька сотень мільйонів років після Великого Вибуху. Вони великі та яскраві, що ставить під сумнів Стандартну модель. Чи може їхнє світло становити частину космічного мікрохвильового фону? Авторські права на зображення: NASA/ESA/CSA/STScI. Фото з сайту www.universetoday.com.

Результати дослідження «The impact of early massive galaxy formation on the cosmic microwave background» («Вплив раннього формування масивних галактик на космічний мікрохвильовий фон») опубліковано в журналі Nuclear Physics B. Авторами є Еда Ґ’єрґо (Eda Gjergo) та Павел Кроупа (Pavel Kroupa). Ґ’єрґо працює в Школі астрономії та космічних наук Нанкінського університету, а Кроупа — в Інституті радіаційної та ядерної фізики імені Гельмгольца при Боннському університеті.

«Найбільшим досягненням прецизійної космології стало вимірювання анізотропій, які можна спостерігати в космічному мікрохвильовому фоні (CMB)». — зі статті «Вплив раннього формування масивних галактик на космічний мікрохвильовий фон».

«Всесвіт розширюється з часів Великого Вибуху, як тісто, що піднімається», — сказав Кроупа. «Це означає, що відстань між галактиками постійно збільшується. Ми виміряли, як далеко одна від одної містяться еліптичні галактики нині. Використовуючи ці дані та враховуючи характеристики цієї групи галактик, ми змогли використати швидкість розширення, щоб визначити, коли вони утворилися».

Дослідження показують, що ETG, які є еліптичними галактиками, використовували величезну кількість газу для формування сотень мільярдів зір. Ймовірно, це не зайняло занадто багато часу, що узгоджується з результатами, отриманими завдяки космічному телескопу Джеймса Вебба. «Наші результати тепер показують, що весь цей процес тривав лише кілька сотень мільйонів років, що відносно коротко в космологічній шкалі часу», — сказала доктор Ґ’єрґо. «Протягом цього часу ядерні реакції в цих молодих зорях були інтенсивними».

Ґ’єрґо та Кроупа розрахували освітлення, яке забезпечували такі ранні зорі. «Ці умови означають, що масивні ETG були приблизно в 104 разів яскравішими за їхню сучасну світність», — пояснили автори.

Вони виявили, що світло від молодих зір, мабуть, було таким яскравим, що його видно й нині. «Наші розрахунки показують, що частина космічного фонового випромінювання насправді походить від формування еліптичних галактик», — каже Ґ’єрґо. «Це становить щонайменше 1,4 відсотка випромінювання, але може пояснити навіть усе його».

Ґ’єрґо о та Кроупа зазначають, що світло від ETG значною мірою недооцінене як передній компонент світіння Всесвіту. Вони кажуть, що це нетривіальне джерело забруднення. «Зважаючи на виняткову яскравість масивних ETG під час їх формування та їхню відносну близькість у ту епоху, конче потрібно враховувати їхній внесок у фонове випромінювання», — пишуть автори.

На графіку показано болометричну світність для галактики раннього типу (early-type galaxies, ETG). Її пік світності стався лише через 265 мільйонів років після Великого Вибуху. Авторські права на зображення: Gjergo and Kroupa, 2025, Nuclear Physics B. Фото з сайту www.universetoday.com.

«Навіть за нашими найконсервативнішими оцінками, масивні ETG дають 1,4% до повної сучасної щільності енергії реліктового випромінювання», — пишуть автори дослідження. 1,4% здається малим, поки не розглянеш наслідки.

Нерівномірності в реліктовому випромінюванні, які є різницею в температурі та щільності газу, показують, що ранній Всесвіт не був однорідним. Вони діяли як зародки для формування галактик; без них Всесвіт був би зовсім іншим. Якби не було галактик чи зір, нас би також не було.

«Найбільшим досягненням прецизійної космології стало вимірювання анізотропій, які можна спостерігати в космічному мікрохвильовому фоні (CMB)», — пишуть автори. «Ці анізотропії CMB вважають зародками, які пізніше еволюціонували у великомасштабні структури під впливом гравітації».

Однак ці крихітні нерівномірності реліктового випромінювання становлять лише кілька тисячних відсотка. Якщо світло від ETG становить 1,4% реліктового випромінювання, то ці нерівномірності мізерні в порівнянні.

Науковці знають, що галактичні та позагалактичні джерела на передньому плані забруднюють сигнал реліктового випромінювання. У минулому вчені попереджали про ризик, пов’язаний з очищенням даних реліктового випромінювання від цих забруднювачів, щоб не були відкинуті реальні джерела. Якщо цими потенційними 1,4% знехтувати, наше розуміння космології буде помилковим. Якщо ми приймемо це як реальне, то нам треба оновити Стандартну модель.

«Наші результати є проблемою для стандартної космологічної моделі», — сказав Кроупа. «Можливо, доведеться переписати історію Всесвіту, принаймні частково».

«З огляду на результати, задокументовані тут, може виникнути потреба розглянути космологічні моделі, відмінні від парадигми плоскої ΛCDM», — пишуть автори у своєму висновку.

Стаття з результатами дослідження: The impact of early massive galaxy formation on the cosmic microwave background (Вплив раннього формування масивних галактик на космічний мікрохвильовий фон).

За інф. з сайту www.universetoday.com