Новая космическая миссия JPL стремится разгадать тайну космической «инфляции»

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

До того, как появился свет, существовала космическая инфляция.

До появления жизни, планеты Земля, первых галактик и даже до мощного взрыва горячего плотного первичного вещества, который ученые традиционно считают Большим взрывом, наша Вселенная находилась в экзотическом состоянии, расширяясь экспоненциально с непостижимой скоростью.

Она расширялась так быстро, что примерно за одну триллионную триллионной миллиардной доли секунды кусок пространства размером с атом взорвался бы до размеров, намного превышающих нашу солнечную систему. Она превратила наш кусочек вселенной — все, что мы можем видеть в ночном небе, — из непостижимо маленькой точки в размер, примерно между человеческой головой и городским кварталом.

Но хотя современная Вселенная изобилует свидетельствами того, что этот странный пролог Вселенной, который физики называют «инфляцией», вероятно, имел место, ученые до сих пор не знают точно, почему это произошло.

Новый космический аппарат из Лаборатории реактивного движения НАСА в Ла-Каньяда-Флинтридже, запуск которого состоится уже во вторник вечером на ракете SpaceX с Космической военной базы Ванденберг недалеко от Ломпока, надеется это выяснить.

Миссия — Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer; или SPHEREx — рассмотрит одну из подсказок, оставленных инфляцией. С помощью ее данных ученые надеются лучше понять виновника (или виновников) быстрого расширения.

В течение двух лет SPHEREx создаст четыре трехмерные карты распределения галактик по всему небу, что позволит ученым искать субатомные квантовые ряби, созданные неоткрытыми инфляционными частицами 13,8 миллиарда лет назад, которые теперь выгравированы в крупномасштабной структуре Вселенной.

«Он уменьшает масштаб, чтобы составить карту космоса и увидеть самые крупные структуры и самую большую картину, в отличие от больших телескопов, таких как [космический телескоп Джеймса Уэбба], которые увеличивают масштаб и делают очень подробные, изысканные снимки определенных небольших участков неба», — сказал Джеймс Бок, профессор физики Калифорнийского технологического института, старший научный сотрудник JPL и главный исследователь SPHEREx.

Хотя Вселенная расширяется с первых мгновений, физики используют термин «инфляция» только для обозначения быстрого экспоненциального расширения, управляемого неизвестной физикой в начале существования Вселенной, какой мы ее знаем.

У инфляции по-прежнему есть свои противники, которые говорят, что процесс инфляции потребовал бы невероятно маловероятных обстоятельств, чтобы начаться изначально, и что — в отсутствие возможности непосредственного обнаружения экзотических инфляционных частиц — текущие косвенные доказательства их существования остаются недостаточными. Тем не менее, инфляция широко принята в этой области как лучшее объяснение ряда странных явлений во всей нашей современной Вселенной.

Различные теории инфляции расходятся во мнениях относительно некоторых цифр и деталей, но общая история выглядит следующим образом: все, что существовало до инфляции, мгновенно взорвалось, как только началось великое расширение.

Во время инфляции еще не существовало никакой известной нам формы материи. Вместо этого Вселенная была заполнена какой-то неизвестной инфляционной энергией и частицами. По мере того, как они колебались, они создавали рябь в энергетическом поле — карманы с более высокой энергией и карманы с более низкой энергией.

Однако до сих пор неясно, что именно представляло собой это поле энергии и частиц, или же работали ли несколько наборов энергетических полей и частиц. Но все, что обнаружит SPHEREx, почти наверняка будет создано дикими частицами за пределами области физики, какой мы ее знаем.

Когда инфляция выдохлась, энергетическое поле и его флуктуации превратились в невероятно горячий и плотный суп из того, что мы знаем сегодня, — в конечном итоге превратившись в свет, который мы видим, а также в протоны, нейтроны и электроны, из которых состоит наш мир.

Эта горячая, плотная, зарождающаяся вселенная под огромным давлением взорвалась наружу, как описано в традиционной теории горячего Большого взрыва, разработанной в 1920-х годах. Инфляция была пересмотром физиками первых нескольких моментов вселенной, задуманной в 1980-х годах для объяснения некоторых странных эффектов во вселенной.

Квантовые ряби в инфляционной энергии, по-видимому, никогда не исчезали. Хотя они начинались на субатомном уровне, теперь они больше галактик. Пятна с более высокой энергией превратились в яркие и оживленные уголки вселенной с большим количеством галактик. Пятна с более низкой энергией теперь являются относительно мертвыми зонами.

Паутина галактик, которую мы видим, глядя на небо, — это моментальный снимок драмы, разыгравшейся в небольшом субатомном участке космоса около 13,8 миллиарда лет назад.

Команда SPHEREx считает, что в мелких деталях этой сети скрыта еще большая часть этой драмы.

Зонд впервые создаст трехмерные карты всего неба с достаточной точностью и данными, чтобы определить, было ли инфляция обусловлена единым энергетическим полем или их было несколько.

«Если бросить крошечный камешек в пруд, он создаст рябь», — сказал Спенсер Эверетт, научный сотрудник Калтеха, работающий над миссией SPHEREx. «Затем инфляция внезапно раздувает их до размеров этих огромных волн в океане».

В то время как теории инфляции с одним полем аналогичны бросанию в пруд кучи камешков одинакового размера, сказал Эверетт, теории с несколькими полями подобны бросанию в воду множества камешков и камней разного размера. Рассматривая полученные ряби, ученые должны быть в состоянии определить, были ли они созданы камешками разных размеров — или частицами инфляции, в случае SPHEREx.

Доказательства SPHEREx о том, что распространение галактик во Вселенной не похоже на рябь от одного поля (или от камешка одного размера в аналогии Эверетта), не только послужили бы веским доказательством того, что инфляция действительно произошла, но и фактически поставили бы на смертный одр теории одного поля.

Запустившись в космос, SPHEREx получит беспрепятственный обзор практически всего неба, вращаясь вокруг Земли. SPHEREx также необходимо изучать инфракрасные длины волн света, которые немного длиннее, чем красный цвет. Однако это также длина волны, на которой большинство объектов, включая земную поверхность, излучают тепло.

«Если вы попытаетесь измерить что-либо в инфракрасном диапазоне на Земле, — сказал Эверетт, — вы увидите только землю. При температурах, близких к комнатной, все излучает в инфракрасном диапазоне».

По этой причине космический корабль будет работать при температуре минус 350 градусов по Фаренгейту, охлаждаясь концентрическими конусообразными алюминиевыми щитами, которые чем-то напоминают собачий конус для космического корабля.

SPHEREx — это миссия среднего класса в программе NASA Explorers, призванная обеспечить частые полеты для космических научных миссий менее амбициозного масштаба, чем флагманские миссии NASA, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба — миссия стоимостью 10 миллиардов долларов, запущенная в 2021 году для изучения широкого спектра актуальных вопросов космических исследований.

Миссия также изучит, как образовались некоторые из первых галактик и как ледяная космическая пыль, несущая важные для жизни молекулы, попадает на планеты.

SPHEREx будет курсировать вместе с малой миссией Explorers, которая называется Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere (PUNCH), и которая будет изучать солнечный ветер.