Учёные представили рекордно точные данные о реликтовом излучении Вселенной

Учёные опубликовали первые два года данных, собранных модернизированной камерой на Южном полюсном телескопе в Антарктиде, который фиксирует послесвечение Большого взрыва. Автор: Кевин Загорски

Самый ранний свет во Вселенной путешествует сквозь пространство с момента, последовавшего сразу после Большого взрыва. Это так называемое реликтовое излучение (космическое микроволновое фоновое излучение), невидимое для человеческого глаза. Однако с помощью сверхчувствительных детекторов учёные могут зафиксировать его и получить информацию о формировании и эволюции нашей Вселенной.

Исследователи представили беспрецедентно точные измерения реликтового излучения, полученные за два года наблюдений с помощью обновлённой камеры на Южном полюсном телескопе. Этот телескоп, расположенный на станции Амундсен-Скотт (антарктическая станция США) и финансируемый Национальным научным фондом и Министерством энергетики США, был специально разработан для картографирования слабого микроволнового фонового излучения.

Результаты, опубликованные 25 июня, впечатляют — точность измерений тонких деталей реликтового излучения превосходит все предыдущие показатели, включая данные космических миссий. В сочетании с информацией от других наземных телескопов эти данные устанавливают новый стандарт для поиска ответов на фундаментальные вопросы о Вселенной.

«Это переломный момент для космологии реликтового излучения», — заявил Том Кроуфорд, заместитель директора Южного полюсного телескопа и профессор Чикагского университета. «Мы вступаем в новую эру, когда наше понимание Вселенной будет во многом продвигаться благодаря наземным экспериментам по изучению реликтового излучения».

Новые данные позволяют проверить нашу фундаментальную модель Вселенной. По мере поступления дополнительной информации они помогут уточнить ответы на ключевые вопросы космологии, такие как природа тёмной энергии и скорость расширения Вселенной.

Космические ограничения

Реликтовое излучение, иногда называемое «послесвечением» Большого взрыва, насчитывает более 13 миллиардов лет, относясь к периоду сразу после формирования Вселенной. Это делает его невероятно ценным источником информации — если удаётся его зафиксировать.

Это излучение крайне слабое, а его вариации ещё слабее. Для его обнаружения требуются идеально чистое небо и сухие условия наблюдения, которые можно найти в Антарктиде.

Южный полюсный телескоп, управляемый консорциумом под руководством Чикагского университета, занимается картографированием этого излучения с 2007 года. За эти годы на телескопе было установлено несколько камер, но последняя версия, известная как SPT-3G, имеет на порядок больше детекторов, чем предыдущие модели. Данные, представленные в новом исследовании, были собраны в 2019 и 2020 годах и представляют собой первые два года полноценных наблюдений с SPT-3G. Они охватывают около 1/25 части неба, обеспечивая более детальную карту, чем любые другие измерения такого рода.

Одно из главных применений этих данных — сужение круга возможных ответов на вопросы о Вселенной, таких как её формирование и фундаментальные законы эволюции. Информация о реликтовом излучении помогает создать целостную картину мироздания.

Современная лучшая модель формирования космоса известна как ΛCDM (Лямбда-CDM). Однако недавние исследования предполагают, что эта модель может быть неполной. Также продолжается дискуссия о скорости расширения Вселенной («напряжённость Хаббла»), где реликтовое излучение играет ключевую роль.

Новые ограничения, представленные в исследовании под руководством Этьена Камфюи (постдока в команде Сильвы Галли из Института астрофизики Парижа/CNRS) и Вэй Цюаня (доктора наук 2024 года из Аргоннской национальной лаборатории), значительно уточняют эту картину.

Как заявила группа, результаты независимо подтверждают «напряжённость Хаббла» с очень высокой статистической значимостью, оставаясь согласованными с другими данными по реликтовому излучению, включая информацию с спутника Planck и Атакамского космологического телескопа в Чили.

Они также выявляют новую аномалию в космологической картине — расхождение между данными реликтового излучения и результатами масштабных исследований движения галактик (особенно последних данных с спектроскопического прибора DESI).

По мере поступления новых данных от SPT-3G они продолжат предоставлять всё более мощный инструмент для проверки гипотез.

«Если стандартная модель действительно нуждается в доработке, мы сможем увидеть это гораздо чётче с новыми наборами данных», — сказал Цюань. «Если сигнал реален, он станет более явным».

Новый стандарт с Земли

Ранее «золотым стандартом» измерений реликтового излучения считались данные спутника Planck, полученные более десяти лет назад. Теперь новые данные Южного полюсного телескопа в сочетании с информацией от Атакамского телескопа устанавливают новый стандарт — момент, которого многие в этой области ждали.

Космические телескопы, такие как Planck, имеют преимущество в виде более чистого обзора, поскольку земная атмосфера не искажает наблюдения.

Однако управлять наземным телескопом значительно проще. Создание сложного инструмента, работающего даже в таких суровых условиях, как Антарктида, намного легче, чем проектирование устройства, способного пережить запуск на ракете и условия космоса. «Если что-то сломается в наземном телескопе, можно подойти и починить», — отметил Брэд Бенсон, доцент астрономии и астрофизики в Чикагском университете и операционный директор Южного полюсного телескопа. «В космосе так не получится».

Достижения в детекторах и конструкциях наконец позволяют наземным телескопам сравниться или превзойти данные Planck.

«Долгое время Planck фактически единолично определял нашу космологическую модель», — сказал Камфюи. «Однако в науке важно подтверждать измерения. С Южным полюсным телескопом и Атакамским телескопом у нас теперь есть почти полностью независимый набор данных с сопоставимой точностью».

Эти новые результаты представляют менее четверти данных, собранных SPT-3G на Южном полюсном телескопе.

«Это только начало», — сказал Кроуфорд. «Картина будет становиться всё интереснее».

Дополнительная информация: SPT-3G D1: CMB temperature and polarization power spectra and cosmology from 2019 and 2020 observations of the SPT-3G Main field. pole.uchicago.edu/public/data/camphuis25/C25.pdf

Источник: Чикагский университет