Учёные впервые использовали наземные телескопы, чтобы заглянуть более чем на 13 миллиардов лет назад и увидеть, как первые звёзды во Вселенной влияют на свет, излучаемый в результате Большого взрыва.
Используя телескопы, расположенные высоко в Андах на севере Чили, астрофизики измерили поляризованный микроволновый свет, чтобы создать более чёткую картину одной из наименее изученных эпох в истории Вселенной — Космического рассвета.
«Люди думали, что это невозможно сделать с Земли. Астрономия — это область, ограниченная технологиями, и микроволновые сигналы из Космического рассвета традиционно трудно измерить», — сказал Тобиас Марридж, руководитель проекта и профессор физики и астрономии в Университете Джонса Хопкинса. «Наземные наблюдения сталкиваются с дополнительными трудностями по сравнению с космическими. Преодоление этих препятствий делает данное измерение значительным достижением».
Космические микроволны имеют длину волны всего в несколько миллиметров и очень слабые. Сигнал от поляризованного микроволнового света примерно в миллион раз слабее. На Земле радиоволны, радары и спутники могут заглушить их сигнал, а изменения в атмосфере, погоде и температуре могут его исказить. Даже в идеальных условиях измерение такого типа микроволнового излучения требует чрезвычайно чувствительного оборудования.
Учёные из проекта Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) Национального научного фонда США использовали телескопы, специально разработанные для обнаружения отпечатков, оставленных первыми звёздами в реликтовом свете Большого взрыва. Это достижение ранее было возможно только с помощью технологий, развёрнутых в космосе, таких как зонд Уилкинсона по изучению микроволновой анизотропии (WMAP) Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) и космические телескопы Европейского космического агентства Planck.
Новое исследование, проведённое Университетом Джонса Хопкинса и Чикагским университетом, опубликовано в «The Astrophysical Journal».
Сравнивая данные телескопа CLASS с данными космических миссий Planck и WMAP, исследователи определили помехи и сузили общий сигнал от поляризованного микроволнового света.
Поляризация возникает, когда световые волны сталкиваются с чем-либо и рассеиваются. «Когда свет попадает в капот вашего автомобиля, и вы видите блики, это поляризация. Чтобы видеть чётко, вы можете надеть поляризационные очки, чтобы убрать блики», — сказал первый автор исследования Юньянг Ли, который был докторантом в Университете Джонса Хопкинса, а затем научным сотрудником в Чикагском университете во время исследования.
«Используя новый общий сигнал, мы можем определить, сколько из того, что мы видим, является космическим бликом от света, отражающегося от „капота“ Космического рассвета, так сказать», — пояснил он.
После Большого взрыва Вселенная представляла собой туман из электронов, настолько плотный, что энергия света не могла вырваться наружу. По мере расширения и охлаждения Вселенной протоны захватывали электроны, образуя нейтральные атомы водорода, и микроволновое излучение получило возможность свободно распространяться в пространстве. Когда во время Космического рассвета образовались первые звёзды, их интенсивная энергия вырвала электроны из атомов водорода. Исследовательская группа измерила вероятность того, что фотон из Большого взрыва столкнулся с одним из освобождённых электронов на своём пути через облако ионизированного газа и изменил направление.
Результаты помогут лучше определить сигналы, исходящие от остаточного свечения Большого взрыва, или космического микроволнового фона, и составить более чёткую картину ранней Вселенной.
«Измерение этого сигнала реионизации с более высокой точностью является важным рубежом в исследованиях космического микроволнового фона», — сказал Чарльз Беннетт, выдающийся профессор Bloomberg в Университете Джонса Хопкинса, который руководил космической миссией WMAP. «Для нас Вселенная — это как физическая лаборатория. Более точные измерения Вселенной помогают уточнить наше понимание тёмной материи и нейтрино, обильных, но неуловимых частиц, заполняющих Вселенную. Анализируя дополнительные данные CLASS в будущем, мы надеемся достичь максимально возможной точности».
Опираясь на исследование, опубликованное в прошлом году, в котором использовались телескопы CLASS для составления карты 75% ночного неба, новые результаты также помогают укрепить подход команды CLASS.
«Ни один другой наземный эксперимент не может делать то, что делает CLASS», — говорит Найджел Шарп, программный директор в Отделении астрономических наук Национального научного фонда, который поддерживает инструмент CLASS и исследовательскую группу с 2010 года. «Команда CLASS значительно улучшила измерение сигнала космической микроволновой поляризации, и этот впечатляющий прорыв является свидетельством научной ценности, производимой благодаря долгосрочной поддержке NSF».
Обсерватория CLASS работает в Парке астрономико Атакама на севере Чили под эгидой Национальной агентства по исследованию и развитию (ANID).