Новые карты со спутника ESA Planck раскрывают «поляризованный» свет ранней Вселенной по всему небу, показывая, что первые звезды сформировались намного позже, чем считалось ранее.
История нашей Вселенной - это история длиной в 13,8 миллиардов лет, которую ученые пытаются прочитать, изучая планеты, астероиды, кометы и другие объекты в нашей Солнечной системе и собирая свет, излучаемый далекими звездами, галактиками и материей. распределяются между ними.
Основным источником информации, использованным для составления этой истории, является космический микроволновый фон, или реликтовое излучение, ископаемый свет, возникший в то время, когда Вселенная была горячей и плотной, всего через 380 000 лет после Большого взрыва.
Благодаря расширению Вселенной мы видим сегодня этот свет, покрывающий все небо в микроволновом диапазоне.
В период с 2009 по 2013 год Планк исследовал небо, чтобы изучить этот древний свет в беспрецедентных деталях. Крошечные различия в фоновых температурных следах областей немного отличающейся плотности в раннем космосе, представляющие семена всех будущих структур, звезды и галактики сегодняшнего дня.
Ученые из коллаборации Planck опубликовали результаты анализа этих данных в большом количестве научных работ за последние два года, подтверждая стандартную космологическую картину нашей Вселенной со все большей точностью.
«Но есть еще кое-что: реликтовое излучение несет дополнительные подсказки о нашей космической истории, которые закодированы в его «поляризации», - объясняет Ян Таубер, ученый проекта «Планк» ЕКА.
"Планк впервые измерил этот сигнал с высоким разрешением по всему небу, создав уникальные карты, опубликованные сегодня."
Свет поляризуется, когда он вибрирует в предпочтительном направлении, что может возникнуть в результате отражения фотонов - частиц света от других частиц. Именно это и произошло, когда реликтовое излучение возникло в ранней Вселенной.
Первоначально фотоны были захвачены горячим, густым супом из частиц, который к тому времени, когда Вселенной исполнилось несколько секунд, состоял в основном из электронов, протонов и нейтрино. Из-за высокой плотности электроны и фотоны сталкивались друг с другом так часто, что свет не мог пройти сколько-нибудь значительное расстояние, прежде чем столкнулся с другим электроном, что делало раннюю Вселенную чрезвычайно «туманной»..
Медленно, но верно, по мере того как космос расширялся и охлаждался, фотоны и другие частицы отдалялись друг от друга, а столкновения становились менее частыми.
Это имело два последствия: электроны и протоны могли, наконец, объединяться и образовывать нейтральные атомы без того, чтобы их снова разрывал на части приближающийся фотон, и у фотонов было достаточно места для перемещения, они больше не были заперты в космическом тумане.
Освободившись от тумана, свет отправился в космическое путешествие, которое продлится до наших дней, где телескопы вроде Планка обнаруживают его как реликтовое излучение. Но свет также сохраняет память о своей последней встрече с электронами, захваченными в его поляризации.
«Поляризация реликтового излучения также показывает незначительные колебания от одного места к другому по всему небу: как и колебания температуры, они отражают состояние космоса в то время, когда свет и материя расстались», - говорит Франсуа Буше. Института астрофизики Парижа, Франция.
"Это дает мощный инструмент для новой и независимой оценки таких параметров, как возраст Вселенной, скорость ее расширения и основной состав нормальной материи, темной материи и темной энергии."
Поляризационные данные Планка подтверждают детали стандартной космологической картины, полученной из его измерений температурных флуктуаций реликтового излучения, но добавляют важный новый ответ на фундаментальный вопрос: когда родились первые звезды?
«После того, как было выпущено реликтовое излучение, Вселенная все еще сильно отличалась от той, в которой мы живем сегодня, и прошло много времени, прежде чем смогли сформироваться первые звезды», - объясняет Марко Берсанелли из Università degli Studi di Милан, Италия.
"Наблюдения Планка за поляризацией реликтового излучения теперь говорят нам, что эти "темные века" закончились примерно через 550 миллионов лет после Большого взрыва - более чем на 100 миллионов лет позже, чем считалось ранее.
"Хотя эти 100 миллионов лет могут показаться незначительными по сравнению с возрастом Вселенной почти в 14 миллиардов лет, они имеют большое значение, когда речь идет о формировании первых звезд."
Темные века закончились, когда засияли первые звезды. И по мере того как их свет взаимодействовал с газом во Вселенной, все больше и больше атомов превращались обратно в составляющие их частицы: электроны и протоны..
Этот ключевой этап в истории космоса известен как «эпоха реионизации».
Вновь освободившиеся электроны снова смогли столкнуться со светом реликтового излучения, хотя и гораздо реже теперь, когда Вселенная значительно расширилась. Тем не менее, как и через 380 000 лет после Большого взрыва, эти столкновения электронов и фотонов оставили заметный след в поляризации реликтового излучения.
«Из наших измерений самых далеких галактик и квазаров мы знаем, что процесс реионизации завершился к тому времени, когда Вселенной было около 900 миллионов лет», - говорит Джордж Эфстатиу из Кембриджского университета, Великобритания..
"Но на данный момент только по данным реликтового излучения мы можем узнать, когда начался этот процесс."
Новые результаты Планка имеют решающее значение, потому что предыдущие исследования поляризации реликтового излучения, казалось, указывали на более ранний рассвет первых звезд, помещая начало реионизации примерно через 450 миллионов лет после Большого взрыва.
Это создало проблему. Очень глубокие изображения неба, сделанные космическим телескопом Хаббл НАСА-ЕКА, позволили составить список самых ранних известных галактик во Вселенной, которые начали формироваться примерно через 300-400 миллионов лет после Большого взрыва..
Однако они не были бы достаточно мощными, чтобы положить конец Средневековью в течение 450 миллионов лет.
«В таком случае нам понадобились бы дополнительные, более экзотические источники энергии, чтобы объяснить историю реионизации», - говорит профессор Эфстатиу.
Новые данные от Planck значительно уменьшают остроту проблемы, указывая на то, что реионизация началась позже, чем считалось ранее, и что одних самых ранних звезд и галактик могло быть достаточно, чтобы вызвать ее.
Этот более поздний конец Средневековья также подразумевает, что было бы легче обнаружить самое первое поколение галактик с помощью следующего поколения обсерваторий, включая космический телескоп Джеймса Уэбба.
Но первые звезды - это точно не предел. С новыми данными Планка, опубликованными сегодня, ученые также изучают поляризацию излучения переднего плана от газа и пыли в Млечном Пути, чтобы проанализировать структуру галактического магнитного поля..
Данные также позволили получить новое важное представление о ранней Вселенной и ее компонентах, включая интригующую темную материю и неуловимые нейтрино, как описано в статьях, также опубликованных сегодня.
Данные Планка углубились в еще более раннюю историю космоса, вплоть до инфляции - короткой эпохи ускоренного расширения, которую Вселенная пережила, когда ей было всего лишь доли секунды. В качестве окончательного зонда этой эпохи астрономы ищут сигнатуру гравитационных волн, вызванных инфляцией, а затем отпечатавшихся в поляризации реликтового излучения.
Как сообщалось на прошлой неделе, прямого обнаружения этого сигнала пока не достигнуто. Однако при объединении новейших данных Планка всего неба с этими последними результатами ограничения на количество первичных гравитационных волн сдвинуты еще ниже, чтобы достичь наилучших верхних пределов.
"Это лишь несколько основных моментов из тщательного изучения наблюдений Planck за поляризацией реликтового излучения, которые показывают небо и Вселенную совершенно по-новому", - говорит Ян Таубер.
"Это невероятно богатый набор данных, и сбор новых открытий только начался."
Серия публикаций: