Вселенная когда-то была наполнена горячей, плотной смесью частиц и света. В том раннем состоянии фотоны не могли уйти далеко, прежде чем столкнуться со свободными электронами. Космос был ярким, но также непрозрачным — скорее туманом, чем открытым небом.
Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва расширяющаяся Вселенная остыла достаточно, чтобы электроны могли соединиться с атомными ядрами. Образовались нейтральные атомы, и туман рассеялся. Свет смог путешествовать сквозь пространство. Это древнее излучение астрономы называют космическим микроволновым фоновым излучением, или CMB (реликтовым излучением).
CMB — это не оболочка, окружающая Землю, и не свет, приходящий от одного обычного объекта. Оно заполняет Вселенную. Где бы ни находился наблюдатель, CMB приходит со всех направлений, потому что оно было высвобождено по всей ранней Вселенной и с тех пор продолжает распространяться.
Космическое расширение растянуло длины волн этого света. Излучение, начавшееся как гораздо более горячий свет, теперь приходит в основном в микроволновой части электромагнитного спектра, со средней температурой около 2,7 кельвина — лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля.
Почему CMB выглядит почти однородным
Ранние карты CMB показывали почти равномерное свечение. Эта гладкость важна, но важны и крошечные вариации, скрытые в ней. По всему небу температура меняется лишь примерно на одну часть из 100 000.
Эти вариации — следы чуть более плотных и чуть более разреженных областей в молодой Вселенной. Гравитация позже усилила более плотные области, помогая им вырасти в галактики, скопления и огромные космические структуры, которые мы видим сегодня.
Этот узор также записывает состав Вселенной. Относительный размер и расстояние между особенностями на картах CMB говорят исследователям об обычной материи, тёмной материи, излучении и геометрии пространства. Поэтому карты — гораздо больше, чем изображение раннего неба; это измерение условий, из которых развилась позднейшая Вселенная.
Как космические аппараты сделали послесвечение видимым
Космическое микроволновое фоновое излучение было впервые обнаружено случайно в 1965 году, когда Арно Пензиас и Роберт Уилсон нашли постоянный микроволновый сигнал, который не могли удалить из своих антенных измерений. Сигнал приходил со всех направлений и соответствовал предсказанному послесвечению горячей ранней Вселенной.
Последующие миссии превратили это открытие в точную космологию. Спутник NASA COBE (Cosmic Background Explorer) измерил спектр CMB и обнаружил, что он представляет собой почти идеальное тепловое свечение. Зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) картографировал его небольшие температурные вариации с большей детализацией. Миссия ESA «Планк» измерила эти вариации с ещё более высокой точностью.
Каждая миссия улучшала картину. Карты помогли ограничить возраст, состав, геометрию и ранний рост Вселенной. Они также дали астрономам способ сравнивать раннюю Вселенную с измерениями космического расширения сегодня.
Что CMB может — и не может — нам рассказать
CMB показывает Вселенную на очень ранней стадии, но не показывает первый миг Большого взрыва. До того как свет был высвобожден, Вселенная была непрозрачной, поэтому обычные фотоны того более раннего периода не могут достичь нас напрямую.
CMB также не показывает первые звёзды или первые галактики. Они сформировались позже, после долгого периода, когда Вселенная содержала в основном водород и гелий. Слабые узоры в CMB — это начальные условия, которые помогли сформировать эти более поздние структуры.
Это различие важно, когда CMB используется для проверки космологических идей. Оно даёт подробный снимок ранней Вселенной, тогда как обзоры галактик, сверхновые и другие наблюдения описывают более поздние этапы. Сравнение этих разных эпох — это то, как астрономы проверяют, может ли одна модель объяснить всю историю космоса.
Это сравнение всё ещё активно. CMB играет центральную роль в обсуждении «хаббловского напряжения», потому что его измеренный узор можно использовать для предсказания текущей скорости расширения Вселенной. Оно также обеспечивает фон, на котором изучаются такие необычные особенности, как сверхпустота Эридана и холодное пятно CMB.
Почему это древнее свечение всё ещё важно
Космическое микроволновое фоновое излучение — это послание из времени, когда ещё не существовало звёзд, планет и галактик. Его широкая однородность говорит нам, что молодая Вселенная была замечательно гладкой, а его крошечные неоднородности содержат семена всего, что появилось позже.
Современные обсерватории продолжают изучать температуру и поляризацию CMB. Цель — уточнить историю, записанную в этих слабых узорах, и проверить идеи о самом раннем расширении Вселенной. Послесвечение древнее, но оно остаётся одним из самых острых инструментов, которые есть у астрономов для проверки того, выдерживает ли наша картина космической истории.
Источники: NASA (Cosmic Background Explorer, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe); ESA (Planck); Phys.org; Curiosmos.
Ваш комментарий