Тени в послесвечении Большого взрыва раскрывают невидимые космические структуры

Спустя почти 400,000 XNUMX лет после Большого взрыва первичная плазма зарождающейся Вселенной достаточно остыла, чтобы слились первые атомы, освободив пространство для свободного парения встроенного излучения. Этот свет — космический микроволновый фон (CMB) — продолжает течь по небу во всех направлениях, транслируя моментальный снимок ранней Вселенной, снятый специальными телескопами и даже показанный в статике на старых электронно-лучевых телевизорах.

После того, как в 1965 году ученые обнаружили реликтовое излучение, они тщательно нанесли на карту его крошечные температурные колебания, которые отображали точное состояние космоса когда это была просто пенящаяся плазма. Теперь они перепрофилируют данные CMB для каталогизации крупномасштабных структур, которые развивались в течение миллиардов лет по мере взросления Вселенной.

«Этот свет пережил большую часть истории Вселенной, и, видя, как он менялся, мы можем узнать о разных эпохах», — сказал он. Кимми Ву, космолог Национальной ускорительной лаборатории SLAC.

В течение своего почти 14-миллиардного путешествия свет от реликтового излучения растягивался, сжимался и деформировался из-за всего, что встречалось на его пути. Космологи начинают смотреть не только на первичные флуктуации реликтового излучения, но и на вторичные отпечатки, оставленные взаимодействиями с галактиками и другими космическими структурами. Благодаря этим сигналам они получают более четкое представление о распределении как обычной материи — всего, что состоит из атомных частей, — так и таинственной темной материи. В свою очередь, эти открытия помогают разрешить некоторые давние космологические загадки и поставить новые.

«Мы понимаем, что реликтовое излучение говорит нам не только о начальных условиях Вселенной. Это также говорит нам о самих галактиках», — сказал он. Эммануэль Шаан, также космолог в SLAC. «И это оказывается действительно мощным».

Вселенная теней

Стандартные оптические обзоры, которые отслеживают свет, излучаемый звездами, упускают из виду основную массу галактик. Это связано с тем, что подавляющее большинство всего вещества, содержащегося во Вселенной, невидимо для телескопов — оно спрятано вне поля зрения либо в виде сгустков темной материи, либо в виде рассеянного ионизированного газа, соединяющего галактики. Но и темная материя, и рассеянный газ оставляют заметные отпечатки на увеличении и цвете входящего реликтового излучения.

«Вселенная на самом деле представляет собой театр теней, в котором галактики являются главными героями, а реликтовое излучение — фоном», — сказал Шаан.

Многие из теневых игроков сейчас приходят в себя.

Когда легкие частицы или фотоны реликтового излучения рассеивают электроны в газе между галактиками, они получают более высокие энергии. Кроме того, если эти галактики движутся относительно расширяющейся Вселенной, фотоны реликтового излучения получают второй энергетический сдвиг, либо вверх, либо вниз, в зависимости от относительного движения скопления.

Эта пара эффектов, известных как тепловой и кинематический эффекты Сюняева-Зельдовича (СЗ), была первый теоретический в конце 1960-х годов и обнаруживались с возрастающей точностью в последнее десятилетие. Вместе эффекты SZ оставляют характерную сигнатуру, которую можно выделить из изображений реликтового излучения, что позволяет ученым наносить на карту местоположение и температуру всего обычного вещества во Вселенной.

Наконец, третий эффект, известный как слабое гравитационное линзирование, искажает путь реликтового излучения, когда он проходит вблизи массивных объектов, искажая реликтовое излучение, как если бы его рассматривали через дно бокала. В отличие от эффектов SZ, линзирование чувствительно ко всем веществам — темным или другим.

В совокупности эти эффекты позволяют космологам отделить обычную материю от темной. Затем ученые могут накладывать на эти карты изображения из обзоров галактик, чтобы измерять космические расстояния и даже След звездообразования.

In спутник бумага в 2021 году команда под руководством Шаана и Стефания Амодео, который сейчас работает в Страсбургской астрономической обсерватории во Франции, применил этот подход на практике. Они изучили данные CMB, полученные Европейским космическим агентством. спутник Планка и наземные Атакамский космологический телескоп, а затем поверх этих карт наложил дополнительный оптический обзор почти 500,000 XNUMX галактик. Техника позволила им измерить выравнивание обычной материи и темной материи.

Анализ показал, что газ в этом регионе не так плотно обхватывал свою поддерживающую сеть темной материи, как предсказывали многие модели. Вместо этого он предполагает, что взрывы сверхновых и аккреция сверхмассивных черных дыр вытеснили газ из его узлов темной материи, распространив его так, что он стал слишком тонким и холодным для обнаружения обычными телескопами.

Обнаружение этого диффузного газа в тенях реликтового излучения помогло ученым решить проблему так называемого проблема с отсутствующими барионами. Он также предоставил оценки силы и температуры рассеивающихся взрывов — данные, которые ученые теперь используют для уточнения своих моделей эволюции галактик и крупномасштабной структуры Вселенной.

В последние годы космологов озадачил тот факт, что наблюдаемое распределение материи в современной Вселенной плавнее, чем предсказывает теория. Если взрывы, перерабатывающие межгалактический газ, более энергичны, чем предполагали ученые, как это было в недавней работе Шаана, Амодео и другие исследователи кажется, что эти взрывы могут быть частично ответственны за более равномерное распределение материи по Вселенной. Колин Хилл, космолог из Колумбийского университета, который также работает над сигнатурами реликтового излучения. В ближайшие месяцы Хилл и его коллеги из Атакамского космологического телескопа планируют представить обновленную карту теней реликтового излучения с заметным скачком как в охвате неба, так и в чувствительности.

«Мы только начали поверхностно рассматривать то, что вы можете делать с этой картой», — сказал Хилл. «Это сенсационное улучшение по сравнению со всем, что было раньше. Трудно поверить, что это реально».

Тени неизвестного

Реликтовое излучение было ключевым свидетельством, которое помогло установить стандартную космологическую модель — центральную основу, которую исследователи используют для понимания происхождения, состава и формы Вселенной. Но исследования фонового излучения реликтового излучения теперь угрожают найти дыры в этой истории.

«Эта парадигма действительно выдержала испытание прецизионными измерениями — до недавнего времени», — сказал Эйитиро Комацу, космолог из Института астрофизики Макса Планка, который работал над созданием теории в качестве члена микроволнового зонда анизотропии Уилкинсона, который нанес на карту реликтовое излучение в период с 2001 по 2010 год. «Возможно, мы находимся на перекрестке… новой модели Вселенной. ».

В течение последних двух лет Комацу и его коллеги исследовали намеки на появление нового персонажа на сцене театра теней. Сигнал проявляется в поляризации или ориентации световых волн реликтового излучения, которые, согласно стандартной космологической модели, должны оставаться постоянными во время путешествия волн по Вселенной. Но теоретизировал три десятилетия назад Шоном Кэрроллом и его коллегами эта поляризация могла быть повернута полем темной материи, темной энергии или какой-то совершенно новой частицы. Такое поле заставит фотоны с разной поляризацией двигаться с разной скоростью и изменить результирующую поляризацию света — свойство, известное как «двойное лучепреломление», присущее некоторым кристаллам, например тем, которые позволяют создавать ЖК-экраны. В 2020 году команда Komatsu сообщил о находке крошечное вращение в поляризации реликтового излучения — около 0.35 градуса. Последующее исследование опубликованном в прошлом году укрепил прежний результат.

Если исследование поляризации или другой результат относительно распределения галактик, это означало бы, что Вселенная не выглядит одинаково во всех направлениях для всех наблюдателей. Для Хилла и многих других оба результата заманчивы, но еще не окончательны. В настоящее время проводятся дополнительные исследования, чтобы изучить эти намеки и исключить возможные смешанные эффекты. Некоторые даже предлагали специальный космический аппарат «астрономия с контровым светом» что бы дополнительно осмотреть различные тени.

«Пять-десять лет назад люди думали, что с космологией покончено, — сказал Комацу. «Сейчас все меняется. Мы вступаем в новую эру».