Недавние открытия физиков из Университета Кейс Вестерн Резерв и их сотрудников могут изменить представление космологов о том, когда могли образоваться самые старые звезды в нашей Вселенной.
Гленн Старкман, Армингтонский профессор физики и астрономии в Кейсе, и его сотрудники Крейг Копи (Кейс), Драган Хутерер (тогда в Кейсе, ныне научный сотрудник Хаббла в Чикагском университете) и Доминик Шварц (тогда в ЦЕРН, сейчас в Университете Билфельда) изучают космическое микроволновое фоновое (CMB) излучение - послесвечение, оставшееся с ранних эпох Вселенной.
Исследователи опубликовали свое исследование «Являются ли низкие ноты микроволнового фона космическими?» недавно в журнале Physical Review Letters.
Реликтовое излучение было названо некоторыми наиболее убедительным свидетельством теории Большого Взрыва - идеи о том, что Вселенная была создана примерно 10-20 миллиардов лет назад в горячем и плотном состоянии, а затем расширялась и расширялась. охлаждение с тех пор.
Температура реликтового излучения чрезвычайно однородна по всему небу. Тем не менее, крошечные температурные вариации или колебания (на уровне сотен тысяч) могут дать глубокое понимание происхождения, эволюции и содержания Вселенной. Эти колебания температуры впервые были замечены в начале 1990-х годов приборами на борту спутника Cosmic Background Explorer (COBE). За прошедшие годы они были изучены на небольших участках неба с помощью многочисленных наземных и аэростатных экспериментов, но недавно Уилкинсонский микроволновый зонд Анитропии создал новую карту реликтового излучения всего неба.
Космологи выражают эти температурные колебания нотами на сферическом барабане. Карта всего неба позволяет космологам изучать самые низкие частоты реликтового излучения - флуктуации под самыми большими углами.
Одна из выдающихся загадок, представленных CMB, впервые обнаруженная COBE, а теперь подтвержденная WMAP, заключается в том, что самые низкие из этих нот Вселенной, похоже, почти отсутствуют.
Интересно, что Старкман и его коллеги обнаружили, что те немногие из этих нот, по-видимому, звучат в самой Солнечной системе, а не в ранней Вселенной.
Когда нашей Вселенной было всего 300 000 лет, она была намного горячее и плотнее. По словам Старкмана, в тот момент электроны не были связаны с атомами. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, она превратилась из непрозрачной облачной среды в прозрачную, которую мы видим сегодня. В то время большинство фотонов во Вселенной освободились от плотной плазмы и смогли свободно путешествовать по расширяющейся Вселенной.
За прошедшие с тех пор почти 14 миллиардов лет эти фотоны были растянуты расширяющейся Вселенной так, что вместо фотонов видимого света они стали микроволнами, так называемым реликтовым излучением. Тем не менее, эти фотоны все еще несут отпечатки небольших различий в температуре и плотности их локальной среды - различий, которые позже переросли в галактики и скопления галактик, которые мы сейчас наблюдаем во Вселенной, - сказал Старкман.
Эти небольшие различия были впервые измерены в 1991 году приборами на борту спутника COBE. Этот спутник создал самые первые карты реликтового излучения.
Благодаря усовершенствованной технологии карта WMAP имеет гораздо более высокое разрешение и качество, сказал Старкман. Свойства этой карты волновали космологическое сообщество в течение последних двух лет.
Теперь новый анализ карты WMAP реликтового излучения показывает, что узоры на карте неожиданным образом совпадают с формой Солнечной системы.
В 1991 году исследователи заметили, что данные со спутника COBE показали, что басы или самые низкие ноты во Вселенной имеют очень низкую интенсивность. По словам Старкмана, с годами эта информация в основном была забыта. Когда WMAP предоставил более точные карты микроволнового неба, была подтверждена слабость этих басовых нот.
Флуктуации «низких нот», согласно Старкману, кажутся загрязненными сигналом, исходящим от самой Солнечной системы или ее окрестностей. По словам Старкмана, в дополнение к изменению нашего понимания того, когда могли образоваться самые старые звезды в нашей Вселенной, это также может бросить вызов стандартной теории «инфляции» в отношении огромных размеров и невероятной гладкости Вселенной, а также в отношении свойств содержащихся в ней структур..
Исследователи решили не ограничиваться только «объемом» каждой ноты. В своем исследовании они присвоили каждой ноте (или, для физиков, каждому мультипольному компоненту неба реликтового излучения) определенное количество направлений, называемых мультипольными векторами, причем нижние ноты имеют меньше направлений.
Мы обнаружили, что мультипольные векторы квадруполя и октополя (две нижние интересные группы нот) были выровнены таким образом, что знали о полюсах эклиптики, которые образуют ось, перпендикулярную плоскости нашей Солнечной системы», - сообщил Старкман. «Похоже, они также знали о движении Солнечной системы по Вселенной».
Что интересно для космологов, так это то, что громкость низких нот уже была необычно низкой. Это говорит о том, что в той мере, в какой мы обнаруживаем низкие ноты с самого начала, многое или все, что мы видим, не является из вселенной, а из нашей Солнечной системы, - сказал Старкман. «Это означает, что низкие ноты вселенной действительно отсутствуют - даже больше, чем мы думали».
Новая информация о низких нотах Вселенной добавляет еще одну загадку к фундаментальным теориям Вселенной, сказал Старкман. Вдобавок к тайнам темной материи и ускоряющегося расширения Вселенной мы должны теперь добавить, что какой бы механизм - инфляция или что-то еще - не породил структуру, которую мы видим во Вселенной, он знал, что не может сделать ничего больше, чем примерно расстояние из которых мы можем видеть сегодня. Возможно, это связано с тем, что вселенная подобна барабану, ограниченному своей формой только для воспроизведения определенных нот. По его словам, это будет важно для изучения топологии Вселенной.
С другой стороны, то, что мы видим, может быть еще одним доказательством того, что мы на самом деле не понимаем гравитацию в самых больших масштабах.