Космологи из Калифорнийского технологического института использовали наблюдения, восходящие к далекой эпохе Вселенной, когда атомы впервые формировались, чтобы обнаружить движения среди семян, которые породили скопления галактик. Новые результаты показывают движение первичной материи на пути формирования галактических скоплений и сверхскоплений. Наблюдения были получены с помощью инструмента, расположенного высоко в чилийских Андах, известного как космический фоновый имидж-сканер (CBI), и они дают новую уверенность в точности стандартной модели ранней вселенной, в которой быстрая инфляция произошла в короткий момент после Большого взрыва. ,
Новая особенность этих поляризационных наблюдений заключается в том, что они непосредственно показывают семена скоплений галактик и их движения по мере того, как они формируют первые скопления галактик.
Энтони Ридхэд (Anthony Readhead) и его коллега, опубликовавший 7 октября интернет-издание Science Express, профессора астрономии Кальтеха Роуна и главного исследователя проекта CBI, утверждают, что новые результаты поляризации обеспечивают сильную поддержку стандартной модели вселенной как места, в котором темная материя и темная энергия гораздо более распространены, чем повседневная материя, как мы ее знаем, что представляет собой серьезную проблему для физики. Сопутствующий документ, описывающий ранние поляризационные наблюдения с использованием CBI, был представлен в Astrophysical Journal.
Космический фон, наблюдаемый CBI, берет свое начало с эпохи, спустя всего 400 000 лет после Большого взрыва, и предоставляет обширную информацию о природе вселенной. В эту далекую эпоху не было ни одной знакомой структуры вселенной - не было галактик, звезд или планет. Вместо этого были лишь незначительные колебания плотности, и это были семена, из которых образовались галактики и звезды под действием силы тяжести.
Инструменты до CBI обнаружили флуктуации в больших угловых масштабах, соответствующих массам, намного большим, чем сверхскопления галактик. Высокое разрешение CBI позволило увидеть семена структур, которые мы наблюдаем вокруг нас в космическом журнале, впервые в январе 2000 года.
Расширяющаяся вселенная охладилась, и через 400 000 лет после Большого взрыва она стала достаточно холодной, чтобы электроны и протоны могли объединиться в атомы. До этого времени фотоны не могли путешествовать далеко до столкновения с электроном, и вселенная была похожа на густой туман, но в этот момент вселенная стала прозрачной, и с того времени фотоны свободно распространялись по вселенной, чтобы достичь наших телескопов сегодня, 13,8 миллиардов лет спустя. Таким образом, наблюдения микроволнового фона дают моментальный снимок Вселенной, поскольку это было всего лишь 400 000 лет после Большого взрыва - задолго до образования первых галактик, звезд и планет.
Новые данные были собраны CBI в период с сентября 2002 года по май 2004 года и охватывают четыре участка неба, охватывающие общую площадь, в триста раз превышающую размер Луны, и показывающие мелкие детали, лишь небольшую часть размера Луны. Новые результаты основаны на свойстве света, называемом поляризацией. Это свойство можно легко продемонстрировать с помощью поляризационных солнцезащитных очков. Если смотреть на свет, отраженный от пруда, через такие солнцезащитные очки, а затем вращать солнцезащитные очки, можно увидеть, что отраженный свет меняется по яркости. Это связано с тем, что отраженный свет поляризован, а поляризационные очки пропускают только свет, поляризация которого правильно выровнена с очками. CBI также выбирает поляризованный свет, и именно его детали раскрывают движение семян скоплений галактик.
В общей интенсивности мы видим серию пиков и долин, где пики являются последовательными гармониками фундаментального «тона». В поляризованном излучении мы также видим серию пиков и долин, но пики в поляризованном излучении совпадают с долинами в общей интенсивности, и наоборот. Другими словами, поляризованное излучение совершенно не соответствует общей интенсивности. Это свойство поляризованного излучения, не совпадающего с общей интенсивностью, указывает на то, что поляризованное излучение возникает в результате движения материала.
Первое обнаружение поляризованного излучения с помощью интерферометра угловой угловой шкалы (DASI), родственного проекта CBI, в 2002 году предоставило яркое свидетельство движения в ранней Вселенной, как и измерения, проведенные Уилкинсонским микроволновым зондом анизотропии (WMAP) в 2003 году. Объявленные сегодня результаты CBI значительно усиливают эти более ранние результаты, демонстрируя непосредственно и в небольших масштабах, соответствующих скоплениям галактик, что поляризованное излучение не соответствует общей интенсивности.
Другие данные о поляризации космического микроволнового фона были опубликованы всего две недели назад командой DASI, результаты которой за три года показывают еще одно убедительное свидетельство того, что поляризация действительно обусловлена космическим фоном и не загрязнена радиацией Млечного Пути. Поэтому результаты этих двух родственных проектов прекрасно дополняют друг друга, как и было задумано Ридхедом и Джоном Карлстромами, главным исследователем DASI и соавтором статьи CBI, когда они планировали эти два инструмента десять лет назад.
По словам Ридхеда, «Физика не имеет удовлетворительного объяснения темной энергии, которая доминирует во вселенной. Эта проблема представляет собой наиболее серьезную проблему для фундаментальной физики со времен квантовой и релятивистской революций столетия назад. Успехи этих поляризационных экспериментов дают уверенность в нашей способности исследовать мелкие детали поляризованного космического фона, что в конечном итоге проливает свет на природу этой темной энергии ».
«Успех этих поляризационных экспериментов открыл новое окно для исследования Вселенной, которое может позволить нам исследовать первые моменты существования Вселенной посредством наблюдений гравитационных волн из эпохи инфляции», - говорит Карлстрем.
Анализ данных CBI проводится в сотрудничестве с группами в Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) и в Канадском институте теоретической астрофизики (CITA).
«Это действительно захватывающее время в космологических исследованиях, с замечательной конвергенцией теории и наблюдений, вселенной, полной загадок, таких как темная материя и темная энергия, и фантастическим набором новых технологий - здесь есть огромный потенциал для фундаментальных открытий» говорит Стив Майерс из NRAO, соавтор и ключевой член команды CBI с самого начала.
По словам Ричарда Бонда, директора CITA и соавтора газеты: «Как теоретик в начале восьмидесятых годов, когда мы впервые показали, что величина поляризации космического микроволнового фона, вероятно, будет в сто раз меньше по мощности от мельчайшие колебания температуры, которые сами по себе были героическим усилием, казалось, было бы желательным думать, что даже в далеком будущем такие мельчайшие сигналы будут обнаружены. С этими обнаружениями поляризации желаемое стало реальностью благодаря замечательным техническим достижениям в таких экспериментах, как CBI. Для нас было привилегией в CITA быть полностью вовлеченными как члены команды CBI в раскрытие этих сигналов и интерпретацию их космологического значения для того, что стало стандартной моделью формирования и эволюции космических структур ».
Следующим шагом для Readhead и его команды CBI будет значительное уточнение этих поляризационных наблюдений за счет получения большего количества данных и проверки того, точно ли поляризованное излучение не совпадает с общей интенсивностью, с целью найти некоторые подсказки природе темной материи и темной энергии.
CBI представляет собой решетку микроволнового телескопа, состоящую из 13 отдельных антенн, каждая диаметром около трех футов и работающих в 10 частотных каналах, установленных совместно, так что все приборы работают как набор из 780 интерферометров. CBI расположен в Льяно-де-Чайнантор, высоком плато в Чили на высоте 16 800 футов, что делает его самым сложным научным инструментом, когда-либо использовавшимся на таких больших высотах. Телескоп настолько высок, что члены научной группы должны нести кислород в баллонах для выполнения работы.
Обновление CBI до возможности поляризации было поддержано щедрым грантом от Kavli Operating Institute, и проект также является благодарным получателем постоянной поддержки от Барбары и Стэнли Роуна младшего. CBI также поддерживается Национальным научным фондом, Калифорнийский технологический институт и Канадский институт перспективных исследований также получили щедрую поддержку от Максин и Рональда Линде, Сесила и Салли Дринквард, а также от Института космологической физики им. Кавли при Чикагском университете.
В дополнение к ученым, упомянутым выше, соавтором сегодняшней статьи Science Express являются С. Контальди и Дж. Л. Сиверс из CITA, J.K. Картрайт и С. Падин из Калифорнийского университета и Чикагского университета; Б. С. Мейсон и М. Поспешальски из НРАО; С. Ачерманн, П. Альтамирано, Л. Бронфман, С. Касассус и Дж. Мэй из Университета Чили; C. Дикинсон, Дж. Ковач, Т. Дж. Пирсон и М. Шепард из Калифорнийского технологического института; В. Хольцапфель из Калифорнийского университета в Беркли; Э. М. Лейтч и К. Прайк из Чикагского университета; Д. Погосян из Университета Торонто и Университета Альберты; и Р. Бустос, Р. Ривз и С. Торрес из Университета Консепсьон, Чили.
Первоначальный источник: Caltech News Release
