Тіні післясвітіння Великого вибуху виявляють невидимі космічні структури

Майже через 400,000 XNUMX років після Великого вибуху первісна плазма зародкового Всесвіту охолола достатньо, щоб перші атоми злилися, звільнивши простір для вільного злету вбудованого випромінювання. Це світло — космічний мікрохвильовий фон (CMB) — продовжує текти небом у всіх напрямках, транслюючи знімок раннього Всесвіту, який фіксують спеціальні телескопи та навіть показують у статиці на старих електронно-променевих телевізорах.

Після того, як у 1965 році вчені виявили випромінювання CMB, вони ретельно нанесли на карту його крихітні коливання температури, які відображали точний стан космосу коли це була просто спінювана плазма. Тепер вони перепрофільовують дані CMB, щоб каталогізувати великомасштабні структури, які розвивалися протягом мільярдів років у міру розвитку Всесвіту.

«Це світло пережило більшу частину історії Всесвіту, і, спостерігаючи, як воно змінювалося, ми можемо дізнатися про різні епохи», — сказав Кіммі Ву, космолог Національної прискорювальної лабораторії SLAC.

Протягом своєї майже 14-мільярдної подорожі світло від CMB було розтягнуте, стиснуте та викривлене всіма речовинами на своєму шляху. Космологи починають дивитися не тільки на первинні флуктуації світла CMB, але й на вторинні відбитки, залишені взаємодією з галактиками та іншими космічними структурами. Завдяки цим сигналам вони отримують більш чітке уявлення про розподіл як звичайної матерії — усього, що складається з атомних частин, — так і таємничої темної матерії. У свою чергу, ці ідеї допомагають вирішити деякі давні космологічні таємниці та поставити нові.

«Ми розуміємо, що реліктове випромінювання говорить нам не лише про початкові умови Всесвіту. Це також розповідає нам про самі галактики», – сказав Еммануель Шаан, також космолог у SLAC. «І це виявляється справді потужним».

Всесвіт тіней

Стандартні оптичні дослідження, які відстежують світло, випромінюване зірками, не помічають більшість глибинної маси галактик. Це тому, що переважна більшість загального вмісту матерії у Всесвіті невидима для телескопів — прихована поза полем зору або як згустки темної матерії, або як дифузний іонізований газ, який сполучає галактики. Але і темна матерія, і розсіяний газ залишають помітні відбитки на збільшенні та кольорі вхідного світла CMB.

«Всесвіт — це насправді театр тіней, у якому головними героями є галактики, а CMB — підсвічування», — сказав Шаан.

Багатьом тіньовим гравцям тепер стає легше.

Коли частинки світла або фотони з CMB розсіюють електрони в газі між галактиками, вони потрапляють до вищих енергій. Крім того, якщо ці галактики рухаються відносно Всесвіту, що розширюється, фотони CMB отримують другий енергетичний зсув, або вгору, або вниз, залежно від відносного руху скупчення.

Ця пара ефектів, відома відповідно як тепловий і кінематичний ефекти Сюняєва-Зельдовича (SZ), була вперше теоретизував наприкінці 1960-х років і були виявлені з дедалі більшою точністю в останнє десятиліття. Разом ефекти SZ залишають характерний підпис, який можна витягнути із зображень CMB, дозволяючи вченим відображати розташування та температуру всієї звичайної матерії у Всесвіті.

Нарешті, третій ефект, відомий як слабке гравітаційне лінзування, спотворює шлях світла реліктового випромінювання, коли воно проходить поблизу масивних об’єктів, спотворюючи реліктове випромінювання так, ніби його дивляться крізь дно чарки. На відміну від ефектів SZ, лінзи чутливі до будь-якої матерії — темної чи іншої.

У сукупності ці ефекти дозволяють космологам відокремити звичайну матерію від темної. Тоді вчені можуть накладати на ці карти зображення з огляду галактик, щоб вимірювати космічні відстані та навіть слід зореутворення.

In супутник документи у 2021 році команда під керівництвом Шаана і Стефанія Амодео, який зараз працює в Страсбурзькій астрономічній обсерваторії у Франції, втілив цей підхід у життя. Вони вивчили дані CMB, отримані Європейським космічним агентством Супутник Планка і наземні Космологічний телескоп Атакама, а потім склав поверх цих карт додатковий оптичний огляд майже 500,000 XNUMX галактик. Техніка дозволила їм виміряти розташування звичайної матерії та темної матерії.

Аналіз показав, що газ регіону не обіймає підтримувальну мережу темної матерії так щільно, як передбачали багато моделей. Натомість це припускає, що вибухи наднових зірок і надмасивних чорних дір, що накопичуються, витісняли газ від вузлів темної матерії, поширюючи його так, що він був занадто тонким і холодним для виявлення звичайними телескопами.

Виявлення цього дифузного газу в тіні CMB допомогло вченим продовжити вирішення так званого проблема відсутніх баріонів. Він також надав оцінки сили та температури розсіювальних вибухів — дані, які вчені зараз використовують для уточнення своїх моделей еволюції галактик і великомасштабної структури Всесвіту.

В останні роки космологів спантеличив той факт, що спостережуваний розподіл матерії в сучасному Всесвіті плавніше, ніж передбачає теорія. Якщо вибухи, що переробляють міжгалактичний газ, є більш енергійними, ніж припускали вчені, як нещодавня робота Шаана, Амодео та інші видається, що ці вибухи можуть бути частково відповідальними за більш рівномірний розподіл матерії у Всесвіті, сказав Колін Хілл, космолог з Колумбійського університету, який також працює над сигнатурами CMB. У найближчі місяці Хілл і його колеги з космологічного телескопа Атакама планують оприлюднити оновлену карту тіней CMB із помітним стрибком як у охопленні неба, так і в чутливості.

«Ми лише почали досліджувати, що ви можете зробити з цією картою», — сказав Хілл. «Це сенсаційне покращення порівняно з усім, що було раніше. Важко повірити, що це реально».

Відтінки невідомого

CMB був ключовим доказом, який допоміг створити стандартну модель космології — центральну структуру, яку дослідники використовують для розуміння походження, складу та форми Всесвіту. Але дослідження підсвічування CMB тепер загрожують проколоти цю історію.

«Ця парадигма дійсно витримала випробування на точність вимірювань — донедавна», — сказав Ейітіро Комацу, космолог з Інституту астрофізики Макса Планка, який працював над встановленням цієї теорії як учасник Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, який склав карту CMB між 2001 і 2010 роками. «Ми можемо бути на роздоріжжі… нової моделі Всесвіту. .”

Протягом останніх двох років Комацу та його колеги досліджували натяки на появу нового персонажа на сцені театру тіней. Сигнал проявляється в поляризації або орієнтації світлових хвиль CMB, яка, згідно зі стандартною моделлю космології, повинна залишатися постійною під час подорожі хвиль через Всесвіт. Але як теоретизований три десятиліття тому Шон Керролл і його колеги стверджували, що поляризація може обертатися полем темної матерії, темної енергії або якоїсь абсолютно нової частинки. Таке поле призведе до того, що фотони з різною поляризацією рухатимуться з різною швидкістю та обертатимуть чисту поляризацію світла, властивість, відому як «подвійне променезаломлення», яка є спільною для певних кристалів, таких як ті, що забезпечують РК-екрани. У 2020 році команда Komatsu повідомив про знахідку крихітне обертання в поляризації CMB — приблизно 0.35 градуса. Подальше дослідження опубліковано минулого року зміцнив попередній результат.

Якщо поляризаційне дослідження або інший результат пов’язане з розподілом галактик підтверджено, це означало б, що Всесвіт не виглядає однаковим у всіх напрямках для всіх спостерігачів. Для Хілла та багатьох інших обидва результати спокусливі, але ще не остаточні. Проводяться подальші дослідження, щоб дослідити ці натяки та виключити потенційні змішувальні ефекти. Деякі навіть запропонували присвячений космічний корабель «астрономія з підсвічуванням». що б додатково оглядати різні тіні.

«П’ять-десять років тому люди вважали, що з космологією покінчено», — сказав Комацу. «Зараз це змінюється. Ми вступаємо в нову еру».