В настоящее время астрономы расширяют границы астрономии. В этот самый момент такие обсерватории, как Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) визуализируют самые ранние звезды и галактики во Вселенной, которые сформировались в период, известный как «Космические темные века». Ранее этот период был недоступен для телескопов, поскольку Вселенная была пронизана облаками нейтрального водорода. В результате сегодня единственный свет виден в виде реликтового излучения Большого взрыва – космического микроволнового фона (CMB) – или в виде спектральной линии длиной 21 см, созданной реионизацией водорода (также известной как линия водорода).
Теперь, когда завеса Темных веков медленно срывается, ученые рассматривают следующий рубеж в астрономии и космологии, наблюдая «первичные гравитационные волны», созданные Большим взрывом. В недавних новостях было объявлено, что Национальный научный фонд (NSF) выделил Чикагскому университету 3,7 миллиона долларов — первую часть гранта, сумма которого может достигать 21,4 миллиона долларов. Целью этого гранта является финансирование разработки телескопов следующего поколения, которые будут отображать реликтовое излучение и гравитационные волны, возникшие сразу после Большого взрыва.
Гравитационные волны (ГВ), первоначально предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна, представляют собой рябь в пространстве-времени, вызванную слиянием массивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды. Ученые также предположили, что во время Большого взрыва образовались гравитационные волны, которые и сегодня можно увидеть как фоновые вибрации. В сотрудничестве с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (LBNL) исследователи из проекта CMB-S4 Чикагского университета стремятся построить телескопы и инфраструктуру в Антарктиде и Чили для поиска этих волн.
В настоящее время в сотрудничестве участвуют 450 ученых из более чем 100 учреждений в 20 странах. Предлагается, чтобы весь проект финансировался совместно ГЯП и Министерством энергетики США (DoE), при этом часть NSF возглавит Чикагский университет, а часть Министерства энергетики возглавит Национальная лаборатория Лоуренса Беркли. Ожидается, что проект будет стоить около 800 миллионов долларов и будет введен в эксплуатацию к началу 2030-х годов. Помимо поиска первичных гравитационных волн, эти телескопы могут также составить невероятную детальную карту реликтового излучения и показать, как Вселенная менялась с течением времени.
Эти телескопы также могут помочь в поиске неуловимой «Темной Вселенной» и подтвердить наши текущие космологические модели. Джон Карлстром — заслуженный профессор астрономии, астрофизики и физики Субраманьяна Чандрасекара в Калифорнийском университете в Чикаго и научный сотрудник проекта CMB-S4. «С помощью этих телескопов мы будем проверять нашу теорию о том, как возникла вся наша Вселенная, а также рассматривать физику в самых экстремальных масштабах, чего мы просто не можем сделать с экспериментами по физике элементарных частиц на Земле», — сказал он в Университете Чикаго. Новостное заявление.
Поскольку реликтовое излучение несет информацию о рождении Вселенной, ученые на протяжении десятилетий составляли его карты. К ним относятся космические телескопы, такие как советский РЕЛИКТ-1, исследователь космического фона НАСА (COBE), зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP) и спутник ЕКА «Планк». Эти миссии с все большей детализацией измерили небольшую температурную анизотропию (колебания) в реликтовом излучении, что дает намек на то, как возникла Вселенная. Однако необходимы телескопы, достаточно чувствительные, чтобы ответить на более глубокие космологические вопросы, например, началась ли Вселенная со вспышки инфляции.
С этой целью CMB-S4 создаст невероятно сложные инструменты для картографирования первого света Вселенной с космического корабля и с земли. В состав массива войдут два новых телескопа на чилийском плато Атакама и девять меньших телескопов на Южнополярной станции (SPS) NSF. Проект также будет опираться на телескоп Южного полюса, который работает на SPS с 2007 года. Каждый объект будет играть важную роль, а телескопы в Чили проведут широкий обзор неба, чтобы получить более подробную картину реликтового излучения. . Тем временем телескопы на Южнополярной станции NSF будут пристально и непрерывно изучать меньшую часть неба.
Наблюдения из Чили помогут улучшить наше понимание эволюции и распределения материи и найти реликтовые легкие частицы, которые могли существовать в ранней Вселенной. Между тем, телескопы в Антарктиде дадут уникальный взгляд на Вселенную, поскольку именно здесь вращается остальная часть Земли, что позволит осуществлять непрерывные наблюдения за одним участком неба. Их совместные усилия позволят астрономам искать рябь в пространстве-времени, которая может возникнуть только из пространства меньшего, чем субатомная частица, внезапно расширяющегося в гораздо больший объем.
По словам физика Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Джима Стрейта (директор проекта CMB-S4), это амбициозная, но достойная цель. «Во многих отношениях теория инфляции выглядит хорошо, но большая часть экспериментальных данных носит косвенный характер», — сказал он. «Обнаружение первичных гравитационных волн было бы тем, что некоторые люди назвали бы «дымящимся пистолетом» для инфляции».
Поскольку эта рябь будет взаимодействовать с реликтовым излучением и оставлять отчетливую (но чрезвычайно слабую) подпись, крупномасштабное и непрерывное картирование реликтового излучения должно предоставить признаки их существования. CMB-S4 также должен предоставить информацию о природе темной материи и темной энергии. В то время как на первую долю приходится большая часть массы Вселенной (около 69%), вторая отвечает за ее ускоряющуюся скорость расширения. Кроме того, картирование первичных гравитационных волн также поможет ученым найти связь между силами гравитации и квантовой механикой.
Микроволновые детекторы уже настолько чувствительны, что в измерениях преобладают фоновый шум и локальные помехи. Поэтому план состоит в том, чтобы оснастить объединенный эксперимент CMB-S4 почти 500 000 сверхпроводящими детекторами, что больше, чем все предыдущие эксперименты вместе взятые, и значительно увеличить количество измерений, чтобы обеспечить точное измерение уровня сигнала и снизить шум. Новый грант NSF поможет профинансировать проектирование новых телескопов и инфраструктуры площадки, которая будет самой сложной из когда-либо построенных.
Дополнительная литература: Новости Университета Чикаго
