Первые искры мироздания: Астрономы впервые увидели эпоху формирования первых галактик

23 мар 2025, 22:24

Вселенная — это колоссальный эксперимент, начатый примерно 13,8 миллиарда лет назад. Мы, скромные обитатели планеты Земля, продолжаем собирать пазл этой грандиозной истории, стремясь понять, как из первобытного хаоса возникли звезды, галактики и, в конечном итоге, мы сами. Но заглянуть в самое начало, в колыбель космоса, всегда было невероятно сложной задачей. Словно смотреть на младенца через густое запотевшее стекло.

Дело в том, что первые несколько сотен тысяч лет после Большого Взрыва Вселенная была непрозрачной для света. Тогда не существовало ни звезд, ни галактик, а лишь плотная, раскаленная плазма. Свет не мог свободно распространяться, «спотыкаясь» о заряженные частицы. Представьте себе плотный туман, где невозможно разглядеть ничего дальше вытянутой руки. Именно такой была наша Вселенная в младенчестве.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Но как же тогда преодолеть эту «космическую непрозрачность» и увидеть истоки всего сущего? Здесь на помощь приходят передовые технологии и неутолимая жажда знаний. И одним из главных инструментов в этом деле стал Атакамский космологический телескоп (ACT), расположенный в чилийской пустыне Атакама.

Поляризованный свет как ключ к прошлому

ACT не просто «смотрит» на небо, он анализирует поляризацию света, дошедшего до нас из самых отдаленных уголков Вселенной. Что же такое поляризация и почему она так важна? Представьте себе, как свет ведет себя подобно волнам на поверхности воды. Обычно эти волны колеблются во всех направлениях, но когда свет отражается от какой-либо поверхности, он становится поляризованным — его колебания выстраиваются в определенном направлении.

Точно так же, как поляризованные солнцезащитные очки блокируют блики от воды, ACT «улавливает» поляризованный свет от космического микроволнового фона (CMB) — реликтового излучения, оставшегося после Большого Взрыва. Этот свет, путешествуя сквозь миллиарды лет, несет в себе отпечатки ранней Вселенной. Когда он взаимодействует с первобытным газом, он слегка поляризуется, и именно эти изменения в поляризации позволяют ученым «увидеть» структуру и движение материи в ту далекую эпоху.

Ограничения на однопараметрические расширения ΛCDM (по вертикальной оси) в зависимости от ключевых параметров ΛCDM (по горизонтальной оси), полученные из комбинации новых спектров мощности ACT DR6 с устаревшими спектрами CMB Planck, линзирования CMB от Planck и ACT, и BAO из данных DESI Year-1 (фиолетовый цвет; обозначено P-ACT-LB, как определено в §2.5). Мы также добавляем данные SNIa из Pantheon+ (золотой цвет; с обозначением P-ACT-LBS) для моделей, влияющих на историю расширения на поздних стадиях. Строки охватывают модели, варьирующие физику нейтрино (суммарная масса и число нейтрино с ∑mᵥ и Neff соответственно, §6.1), изменение спектрального индекса первичных скалярных возмущений с масштабом (dnₛ/dlnk, §4.1), распространенность первичного гелия (YHe, §6.2) и уравнение состояния темной энергии (w, §7.2). Это показано по столбцам в зависимости от параметров ΛCDM, определяющих плотность барионов, холодной темной материи и общей материи (Ωbh², Ωch² и Ωm, соответственно), постоянную Хаббла (Ho) в км/с/Мпк, спектральный индекс первичных скалярных возмущений (nₛ) и амплитуду флуктуаций плотности (S₈). Контуры показывают уровни достоверности 68% и 95% (темные и светлые оттенки, соответственно). Пунктирные серые линии обозначают канонические значения, ожидаемые для этих параметров в стандартных моделях космологии и физики элементарных частиц. Цитирование: Erminia Calabrese et al, The Atacama Cosmology Telescope: DR6 Constraints on Extended Cosmological Models, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2503.14454
Автор: Erminia Calabrese et al. Источник: arxiv.org

Детская фотография Вселенной в высоком разрешении

Предыдущие попытки «заглянуть» в прошлое Вселенной, например, с помощью спутника Planck, также анализировали CMB. Однако, ACT обладает значительно более высоким разрешением и чувствительностью. Представьте себе, что Planck — это старенькая фотокамера с низким разрешением, а ACT — современный зеркальный фотоаппарат с невероятно четкой картинкой.

Благодаря этому, ученые смогли получить гораздо более детальную «детскую фотографию» Вселенной, увидеть едва различимые колебания плотности и скорости газа, которые в конечном итоге привели к образованию первых звезд и галактик. Это как наблюдать за тем, как из хаотичного бульона постепенно формируются очертания будущего мира.

Ограничения на эффективную константу самодействия нейтрино, geff, в пределе легкого медиатора из множества комбинаций данных. Заштрихованная область исключена аргументом светимости, примененным к SN1987A (Kachelriess et al. 2000). Затененная серая область показывает 68% и 95% доверительные интервалы для ns в модели ΛCDM (L25). Вырождение с ns происходит из-за того, что большое gеff увеличивает мощность на масштабах, типично больших, чем опорный масштаб k* = 0.05 Мпк⁻¹, в то время как увеличение наклона первичного спектра уменьшает мощность на этих масштабах. Включение ACT смещает контуры к большим значениям ns, что согласуется с тем, что сообщается в §4.1, и незначительно ужесточает границы на gеff по сравнению только с Planck. Цитирование: Erminia Calabrese et al, The Atacama Cosmology Telescope: DR6 Constraints on Extended Cosmological Models, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2503.14454
Автор: Erminia Calabrese et al. Источник: arxiv.org

Откуда мы пришли и куда идем?

Анализ данных, полученных с помощью ACT, не только проливает свет на ранние этапы развития Вселенной, но и помогает нам уточнить ее возраст — примерно 13,8 миллиарда лет. Кроме того, эти данные позволяют более точно определить скорость расширения Вселенной, что является ключевым параметром для понимания ее дальнейшей эволюции.

Более того, ACT позволяет «взвесить» Вселенную, определив долю обычной материи, темной материи и темной энергии — загадочных компонентов, которые составляют большую часть нашего космоса. Оказывается, обычной материи, из которой состоят звезды, планеты и мы сами, приходится лишь небольшая часть — около 5% от общей массы-энергии Вселенной.

Ограничения на S₈ с уровнями доверия 68% и 95% в отдельных расширенных моделях от P-ACT (темно-синий) и P-ACT-LB (фиолетовый) по сравнению с пределом космического сдвига DES-Y3+KiDS (2σ область из случая ΛCDM с фиксированной массой нейтрино от Dark Energy Survey и Kilo-Degree Survey Collaboration 2023, показанная в виде золотой полосы). Ограничение P-ACT-LB ΛCDM (2σ фиолетовая вертикальная полоса) уже находится в статистическом согласии с DES-Y3+KiDS (см. L25). Вырождения с параметрами расширенных моделей, как правило, не перемещают центральные значения P-ACT-LB даже к более низким значениям S₈ в центре апостериорного распределения DES-Y3+KiDS. Цитирование: Erminia Calabrese et al, The Atacama Cosmology Telescope: DR6 Constraints on Extended Cosmological Models, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2503.14454
Автор: Erminia Calabrese et al. Источник: arxiv.org

В ожидании новых открытий

ACT продолжает свою работу, собирая все больше и больше данных о CMB и других космических объектах. А в будущем его эстафету подхватит Обсерватория Саймонса, которая обещает еще более впечатляющие результаты.

Заглядывая в прошлое, мы не только утоляем свое любопытство, но и лучше понимаем настоящее и будущее. Познание законов, управляющих Вселенной, позволяет нам создавать новые технологии, улучшать качество жизни и, в конечном итоге, продвигаться по пути прогресса. И кто знает, какие еще тайны скрывает от нас «космический рассвет»? Возможно, ответы на самые фундаментальные вопросы бытия ждут нас именно там, в далеком прошлом, в колыбели Вселенной.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник