Данные с телескопа на Южном полюсе подтверждают стандартную космологическую модель

В новом исследовании используются данные, собранные телескопом на Южном полюсе, чтобы углубить наше понимание того, как родилась и развивалась Вселенная. Автор: Аман Чокши

Примерно через 400 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла ровно настолько, чтобы позволить фотонам вырваться из первичного космологического «бульона». В течение следующих 14 миллиардов лет эти древние фотоны — первый свет во Вселенной — продолжали путешествовать. Этот реликтовый свет известен как космический микроволновый фон.

В новом исследовании ученые использовали данные наблюдений этого первого луча, собранные телескопом «Южный полюс», расположенным на станции «Южный полюс Амундсена—Скотта» Национального научного фонда в Антарктиде, для изучения теоретических основ стандартной космологической модели, описывающей историю Вселенной за последние 14 миллиардов лет.

Исследование было проведено исследователями Калифорнийского университета в Дэвисе и коллегами из коллаборации South Pole Telescope, возглавляемой Чикагским университетом, и опубликовано в журнале Physical Review D. В настоящее время оно доступно на сервере препринтов arXiv.

Это исследование, основанное на высокоточных измерениях космического микроволнового фона и его поляризованного излучения, еще больше подтверждает достоверность стандартной космологической модели. Он также вычисляет постоянную Хаббла — скорость расширения Вселенной — с помощью нового метода, что позволяет по-новому взглянуть на текущую научную загадку, известную как «напряженность Хаббла».

"У нас есть в значительной степени последовательная, подробная и успешная модель, описывающая эти 14 миллиардов лет эволюции", - сказал Ллойд Нокс, профессор космологии и астрофизики Калифорнийского университета в Дэвисе и один из соавторов исследования. "Но мы не знаем, что на самом деле породило первоначальные отклонения от полной однородности, которые в конечном итоге привели ко всем структурам во Вселенной, включая нас самих".

"Этот результат особенно интересен, потому что он представляет собой первое конкурентное исследование космологии, использующее только поляризацию реликтового излучения, что делает его почти на 100% независимым от предыдущих результатов, которые в основном основывались на общей интенсивности", - сказал соавтор исследования и профессор Чикагского университета Том Кроуфорд.

Поляризующее и извилистое путешествие по Вселенной

В ходе исследования ученые проанализировали данные о поляризованном свете, собранные телескопом «Южный полюс» за два года - в 2019 и 2020 годах. Наблюдения, проведенные в ходе исследования, охватывают 1500 квадратных градусов неба, и собранные данные позволили исследователям создать крупномасштабную карту массы Вселенной.

Большая часть естественного света неполяризована и состоит из случайного набора световых волн, каждая из которых колеблется (поднимается и опускается) без какого-либо предпочтительного направления. Но при отражении свет может стать поляризованным, что означает, что свет колеблется в предпочтительном направлении.

Это происходит, когда солнечный свет отражается от воды или земли, и именно поэтому поляризованные солнцезащитные очки могут быть так полезны для уменьшения бликов. Это также произошло, когда фотоны космического микроволнового фона окончательно рассеялись в первичной плазме, когда она начала исчезать 14 миллиардов лет назад.

"Свет, излучаемый космическим микроволновым излучением, частично поляризован", - сказал Нокс. «Мы измеряем в каждом месте на нашей карте неба степень его поляризации и направление поляризации».

Исследователи использовали данные телескопа для создания карт поляризации фонового излучения космического микроволнового излучения, которые могут быть использованы для получения информации о том, что происходило в самые ранние годы существования Вселенной. Цвета отражают степень поляризации фонового излучения космического микроволнового излучения. Автор: Ge и др.

После последнего рассеяния слабо поляризованный свет распространился по открытому пространству. Гравитационные силы искажают траектории этих световых лучей. Свет из разных областей также искажается по—разному, что приводит к искажению изображения - эффекту, называемому гравитационным линзированием.

Чтобы выяснить, как выглядело бы поляризованное изображение в отсутствие гравитационного линзирования, а также составить карту массы, вызывающей гравитационное линзирование, команда использовала компьютеры в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) в Беркли.

"Что мы, по сути, делаем на действительно высоком уровне, так это получаем эти данные и отправляем их на этот суперкомпьютер в NERSC", - сказал Мариус Миллеа, научный сотрудник исследовательской группы Knox и второй автор исследования. - И компьютеры проверяют эту идею: "Если бы реальная вселенная выглядела именно так, получилась бы карта, похожая на ту, что мы видели?"

"У нас есть данные, но нам также нужна модель, которая производит или предсказывает такого рода наблюдения", - добавил Фей Ге, аспирант исследовательской группы Нокса и первый автор исследования.

Напряженность Хаббла

Исследование команды напрямую касается загадки, известной в космологическом сообществе как «напряженность Хаббла». По сути, ученые не могут прийти к единому мнению о скорости расширения Вселенной, которая варьируется в зависимости от методологии, используемой для ее измерения.

В рамках одного метода астрономы используют стандартную космологическую модель в сочетании с наблюдениями космического микроволнового фона, чтобы предсказать, насколько быстро расширяется Вселенная сегодня.

В рамках другого метода они используют наблюдения за звездами и звездными взрывами, называемыми сверхновыми, для более точного измерения скорости расширения. Результаты измерений с помощью этого метода, как правило, оказываются выше, то есть скорость расширения выше, чем предсказывается стандартной моделью. Это одна из главных загадок современной космологии; причина расхождения неизвестна.

Команда использовала свои поляризационные данные в сочетании со стандартной космологической моделью, чтобы сделать новый прогноз скорости расширения. Их прогноз согласуется с прогнозом, сделанным с использованием карт интенсивности космического микроволнового фона, измеренных спутником Planck, миссией Европейского космического агентства.

Новый прогноз команды достаточно точен, чтобы не совпадать с измерениями по сверхновым при очень высокой статистической значимости. Это в большей степени согласуется со скоростью расширения, предсказанной стандартной космологической моделью и методом интенсивности космического микроволнового фона, и представляет собой еще один барьер, через который придется пройти любому решению проблемы напряженности Хаббла.

Дополнительная информация: F. Ge и соавт., Космология на основе CMB-линзирования и делинзированных спектров мощности EE с использованием поляризационных данных SPT-3G за 2019-2020 годы, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2411.06000

Источник: University of Chicago