Рождение, рост и будущее нашей Вселенной вечно увлекательны
В последние десятилетия телескопы смогли наблюдать небо с беспрецедентной точностью и чувствительностью.
Наша исследовательская группа на Южном полюсе изучает, как Вселенная развивалась и менялась с течением времени. Мы только что опубликовали результаты двухлетних наблюдений за зарождающейся Вселенной на участке неба площадью 1/25 от всего неба.
Эти наблюдения уточнили наше понимание природы тёмной энергии и скорости расширения Вселенной
Наша текущая модель ранней Вселенной известна как «горячий Большой взрыв». Она описывает первый этап нашей Вселенной как первозданный огненный шар, состоящий из очень горячей плазмы, похожей на наше Солнце.
Большой взрыв начался около 13,8 миллиарда лет назад, когда явление, известное как космическая инфляция, заставило Вселенную расширяться со скоростью, превышающей скорость света, в течение доли секунды.
По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась после инфляции, обычная материя (та, с которой мы можем взаимодействовать) была похожа на наше Солнце — перегретая плазма, состоящая из фотонов, электронов и ионизированных (или заряженных) ядер водорода и гелия.
Современные телескопы могут обнаруживать слабое излучение, возникшее через 400 000 лет после Большого взрыва, известное как космическое микроволновое фоновое излучение (CMB). Это снимок плазмы и условий того времени, когда температура плазмы остыла примерно до половины температуры Солнца.
Это охлаждение позволило плазме рекомбинировать, образуя атомы, такие как водород и гелий. Во время CMB Вселенная была почти идеально однородной, с вариациями плотности по всему небу только в 1 части из 100 000.
Наша текущая теория предсказывает, что тёмная материя коллапсирует, образуя плотные регионы, которые притягивают близлежащую обычную материю. Газ в этих плотных регионах затем охлаждается и коллапсирует, образуя галактики и звёзды, которые мы видим сегодня.
Вместе эти этапы составляют лучшую на сегодняшний день модель формирования космоса, известную как модель лямбда-холодной тёмной материи или Lambda-CDM.
Если бы Вселенная состояла только из обычной материи и тёмной материи, мы бы ожидали, что гравитационное притяжение всей массы во Вселенной замедляло бы расширение Вселенной так же, как если бы вы подбросили мяч вверх, гравитация Земли тянула бы его обратно вниз.
Однако в 1998 году астрономы, измеряя расстояние до далёких сверхновых, обнаружили, что расширение начало ускоряться, а не замедляться.
Чтобы объяснить это, учёные ввели тёмную энергию — неизвестное нечто, которое, в отличие от материи, гравитационно отталкивает, а не притягивает, раздвигающее Вселенную почти как «антигравитация».
Простейшая версия тёмной энергии — это первоначальная идея Эйнштейна о космологической постоянной как способе уравновесить действие гравитации в его теории общей теории относительности.
Таинственная тёмная энергия составляет почти 70% Вселенной сегодня. И хотя мы не можем увидеть тёмную энергию напрямую, она определяет, как расширяется наша Вселенная и какова будет её конечная судьба.
Южный полярный телескоп — это 10-метровый телескоп с 16 000 детекторами, чувствительными к свету миллиметрового диапазона, расположенный на станции Амундсена-Скотта на Южном полюсе в Антарктиде.
Наша международная команда собирала данные в течение двух лет с помощью основного инструмента. Мы проанализировали эти данные, которые охватывают 1/25 часть неба, чтобы провести точные измерения температуры и поляризации, вызванных распределением материи в космическом микроволновом фоновом излучении ранней Вселенной.
Мы объединили карты ранней Вселенной с Южного полюса с наблюдениями трёхмерного распределения галактик, сделанными ранее Инструментом спектроскопии тёмной энергии (DESI).
То, что мы увидели в экспериментах DESI, и теперь подтверждено нашими наблюдениями на Южном полюсе, заключается в том, что тёмная энергия со временем становится слабее, или эволюционирует. Ускорение расширения Вселенной за счёт тёмной энергии может прекратиться в далёком будущем.
Результаты теперь доступны для ознакомления и были представлены на рецензирование. Новые измерения с Южного полюса позволяют более точно ограничивать наши космологические модели. В частности, данные уточняют наши измерения шкалы звукового горизонта 13,8 миллиарда лет назад.
Ранее золотым стандартом для измерений космического микроволнового фона были данные со спутника Planck, полученные десять лет назад.
Улучшенные измерения с Южного полюса, в сочетании с экспериментом DESI и другими наборами данных CMB, снижают вероятность существования космологической постоянной и повышают предпочтение моделям с эволюционирующей тёмной энергией. Значимость ещё больше увеличивается, когда добавляются наблюдения сверхновых.
Когда Эйнштейн впервые сформулировал свою теорию относительности в начале 1900-х годов, преобладающей моделью была статическая Вселенная, в отличие от сегодняшней расширяющейся Вселенной.
Чтобы предотвратить гравитационный коллапс и позволить вечной статической Вселенной, Эйнштейн добавил в свою теорию отталкивающий член, называемый «космологической постоянной». Позже Эйнштейн отказался от этого после открытия Эдвина Хаббла в 1929 году, что Вселенная расширяется.
Три десятилетия спустя астрономы, изучающие сверхновые, обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Простейшее объяснение этого ускорения — возрождение космологической постоянной Эйнштейна как силы отталкивания.
До недавнего времени наши наблюдения Вселенной можно было полностью объяснить с помощью космологической постоянной. Если текущие намёки на то, что тёмная энергия ослабевает, будут подтверждены дальнейшими исследованиями, это будет означать, что нам нужно выйти за рамки космологической постоянной, будь то изменение теории общей теории относительности или включение эволюционирующей тёмной энергии.
Пока что доказательства эволюции тёмной энергии всё ещё меньше золотого стандарта, который составляет менее 1 шанса из 3,5 миллионов оказаться ложными (также известным как 5 сигм).
Сотрудничество DESI планирует модернизировать инструмент, DESI-2, после текущего исследования, и в конечном итоге хочет построить гораздо более амбициозный эксперимент по спектроскопии, Spec-S5.
Мы можем ожидать установки модернизированного приёмника на Южном полюсе в 2028 году, а также будущих результатов от Simons Observatory (начало наблюдений запланировано к концу этого года) и в 2030-х годах в рамках эксперимента CMB-S4.
Когда-нибудь на этом пути у нас, надеюсь, будет достаточно доказательств, чтобы однозначно сказать, действительно ли ускоряющееся расширение Вселенной теряет обороты.
Предоставлено Университетом Мельбурна.