Новое исследование использует данные, собранные вышеупомянутым телескопом Южного полюса, чтобы углубить наше понимание того, как формировалась и развивалась Вселенная. Фото предоставлено: Аман Чокши
Примерно через 400 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла ровно настолько, чтобы фотоны смогли вырваться из первичного космологического супа. В течение следующих 14 миллиардов лет эти древние фотоны – первый свет Вселенной – продолжали путешествовать. Этот реликтовый свет известен как космический микроволновый фон.
В новом исследовании ученые использовали данные наблюдений этого первого света, собранные Южнополярным телескопом на Южнополярной станции Амундсен-Скотт Национального научного фонда в Антарктиде, чтобы изучить теоретические основы Стандартной космологической модели, которая описывает историю Вселенной в последнее время 14 миллиардов лет.
Исследование было проведено исследователями Калифорнийского университета в Дэвисе и его коллегами из коллаборации Южнополярного телескопа под руководством Чикагского университета и представлено в журнал Physical Review D. В настоящее время он доступен на сервере препринтов arXiv.
Исследование, основанное на высокоточных измерениях космического микроволнового фона и его поляризованного света, еще раз подтверждает точность стандартной космологической модели. Новый метод также рассчитывает постоянную Хаббла — скорость, с которой расширяется Вселенная, — предлагая новое понимание продолжающейся научной загадки, известной как «напряжение Хаббла».
«У нас есть в целом последовательная, подробная и успешная модель, которая описывает эти 14 миллиардов лет эволюции», — сказал Ллойд Нокс, заведующий кафедрой космологии и астрофизики Майкла и Эстер Вайда в Калифорнийском университете в Дэвисе и один из соавторов исследования. «Но мы не знаем, что на самом деле привело к первоначальным отклонениям от полной однородности, которые в конечном итоге породили все структуры во Вселенной, включая нас самих».
«Этот результат особенно интересен, поскольку он представляет собой первое конкурентное ограничение в космологии, использующее только поляризацию реликтового излучения, что делает его почти на 100% независимым от предыдущих результатов, основанных в первую очередь на общей интенсивности», — сказал соавтор исследования и Профессор-исследователь Чикагского университета Том Кроуфорд.
Поляризирующее и извилистое путешествие по вселенной
В ходе исследования ученые проанализировали данные о поляризованном свете, собранные Южнополярным телескопом за два года в 2019 и 2020 годах. Наблюдения в ходе исследования охватывают 1500 квадратных градусов неба, а собранные данные позволили исследователям создать крупномасштабную карту массы во Вселенной.
Большая часть естественного света неполяризована и состоит из случайного набора световых волн, каждая из которых колеблется (волны вверх и вниз) без какого-либо предпочтительного направления. Однако когда свет отражается, он может стать поляризованным, то есть свет колеблется в предпочтительном направлении.
Это происходит, когда солнечный свет отражается от воды или земли, и именно поэтому поляризационные солнцезащитные очки могут быть так полезны для уменьшения бликов. Это также произошло, когда космические микроволновые фоновые фотоны переживали свои последние события рассеяния в первичной плазме, когда она начала исчезать 14 миллиардов лет назад.
«Свет космического микроволнового фона частично поляризован», — сказал Нокс. «Мы измеряем степень поляризации и ориентацию поляризации в каждом месте на нашей карте неба».
Исследователи использовали данные телескопа для создания карт поляризации космического микроволнового фонового света, которые можно использовать для поиска ключей к разгадке того, что произошло в самые первые годы существования Вселенной. Цвета представляют степень поляризации космического микроволнового фона. Изображение предоставлено Ge et al.
После этого окончательного рассеяния слегка поляризованный свет струился по открытому пространству. Гравитационные силы искажают путь этих световых лучей. Свет из разных регионов также искажается по-разному, что приводит к искажению изображения — эффект, называемый гравитационным линзированием.
Чтобы выяснить, как будет выглядеть поляризованное изображение без гравитационного линзирования, а также определить карту массы, вызывающей гравитационное линзирование, команда использовала компьютеры в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) в Беркли.
«Что мы, по сути, делаем на самом высоком уровне, так это получаем эти данные и отправляем их на суперкомпьютер в NERSC», — сказал Мариус Миллеа, научный сотрудник исследовательской группы Нокса и второй автор исследования. «И компьютеры проверяют эту идею: «Если бы реальная Вселенная выглядела так, создала бы она карту, похожую на то, что мы видели?»
«У нас есть данные, но нам также нужна модель, которая производит или предсказывает эти типы наблюдаемых», — добавил Фей Ге, аспирант исследовательской группы Нокса и ведущий автор исследования.
Напряжение Хаббла
Исследование команды напрямую касается загадки космологического сообщества, известной как «напряжение Хаббла». По сути, ученые не могут договориться о скорости расширения Вселенной, которая варьируется в зависимости от метода, используемого для ее измерения.
В одном из методов астрономы используют Стандартную космологическую модель в сочетании с наблюдениями за космическим микроволновым фоном, чтобы предсказать, насколько быстро сегодня расширяется Вселенная.
В другом методе они используют наблюдения за звездами и звездными взрывами, называемыми сверхновыми, для более непосредственного измерения скорости расширения. Измерения с использованием этого метода обычно давали более высокие результаты, то есть более высокую скорость расширения, чем предсказания Стандартной модели. Это одна из величайших загадок современной космологии; Причина несоответствия неизвестна.
Команда использовала свои данные о поляризации в сочетании со Стандартной космологической моделью, чтобы сделать новый прогноз скорости расширения. Их предсказание согласуется с предсказанием, сделанным на основе карт интенсивности космического микроволнового фона, измеренных спутником «Планк», миссией Европейского космического агентства.
Новое предсказание команды достаточно точное, чтобы не соответствовать измерениям сверхновых с очень высокой статистической значимостью. Это более соответствует скорости расширения, предсказанной Стандартной космологической моделью и методом интенсивности космического микроволнового фона, и представляет собой еще одну структуру, через которую должно пройти любое решение напряжения Хаббла.
Информация от: Чикагским университетом
