Ранние эпохи истории Вселенной являются своего рода священным Граалем космологии. Первые несколько сотен тысяч лет существования нашего мира окутаны непроглядным туманом. До сих пор никому не удавалось заглянуть за него и увидеть Большой взрыв. Однако астрофизики постепенно рассеивают этот туман, используя данные, полученные с помощью телескопа Atacama Cosmology Telescope (ACT) в Чили. ACT существенно превзошел «Макса Планка» и другие более ранние телескопы, позволив получить самые четкие изображения ранней Вселенной.
ACT измерил свет, генерированный примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. По словам ученых, это измерение открыло окно во времена, когда только начинали формироваться первые космические структуры, самые ранние звезды и галактики. Исследователи увидели не просто свет и темноту, а поляризацию света в высоком разрешении.
Более четкие данные и изображения, полученные с помощью ACT, также помогают ученым понять, когда и где начали формироваться первые галактики. Если данные будут независимо подтверждены, они станут самым ранним изображением Вселенной, показывающим ученым, как выглядели зачатки галактик всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва.
Участники исследовательской команды обратили внимание на незначительные изменения плотности и скорости газов в молодой Вселенной. Чтобы провести измерения, ученым потребовалось 5 лет наблюдений с помощью чувствительного телескопа, настроенного на свет миллиметровой длины волны, с применением высокочувствительных детекторов и мощной вычислительной поддержки.
Совместная работа измерила поляризацию реликтового микроволнового фона. Это слабое микроволновое свечение, заполняющее пространство. Это старейший источник света во Вселенной, представляющий эпоху, когда свет впервые смог свободно перемещаться по расширяющемуся новорожденному миру. Предполагается, что до этого пространство было заполнено так называемой «первичной плазмой», в которой свет распространяться не мог.
Часть реликтового света поляризовалась, когда он взаимодействовал с самыми ранними «структурами плотности» в молодой Вселенной. Световые волны распространяются во все стороны, но при столкновении с более плотным веществом длина волны может изменяться.
Самый простой способ понять это — надеть поляризационные солнцезащитные очки. Они блокируют горизонтально поляризованные световые волны, которые отражаются от таких поверхностей, как вода. В космосе, когда световая волна попадает в газовое облако, оно поляризует ее и меняет направление колебаний. Поляризация может дать информацию об объекте, который перенаправил световую волну. В данном случае это произошло, когда самый ранний свет отразился от формирующихся «структур плотности».
ACT — не первый телескоп, изучающий эту далекую эпоху в истории Вселенной. Спутник «Макс Планк» также измерял слабый свет реликтового излучения. Но у ACT в пять раз выше разрешение, а также лучше чувствительность. Это означает, что слабый сигнал поляризации теперь можно увидеть напрямую и более четко.
Поляризационные изображения, полученные с помощью ACT, показывают детальное движение водорода и гелия в ранней Вселенной. Говоря простыми словами, если раньше ученые могли видеть, где что находится, то теперь они также могут видеть, как это движется. Подобно тому, как по приливам и отливам можно судить о присутствии Луны, движение, отслеживаемое по поляризации света, показывает, насколько сильной была гравитация в разных областях космоса.
То, что выглядит как размытые облака на снимках, — это более плотные области вещества в море разреженных водорода и гелия. Эти области простирались на миллионы световых лет. В конце концов, гравитация стянула более плотные области, образовав звезды и галактики. Данные, полученные с помощью ACT, также содержат информацию о Млечном Пути, других галактиках и скоплениях галактик. В каком-то смысле они отслеживают эволюцию Вселенной с момента ее зарождения до наших дней.
Измерения показали, что наблюдаемая Вселенная простирается почти на 50 миллиардов световых лет во всех направлениях от нас и эквивалентна по массе 1,9 триллионам солнечных масс (1,9*1012 M⊙).
Из этих 1900 «зетта-Солнц» на долю обычной материи — той, которую мы можем видеть и измерять, — приходится всего около 100. Еще 500 зетта-Солнц — это загадочная темная материя, а оставшиеся 1300 приходятся на темную энергию, называемую также энергией вакуума.
Для справки: масса Солнца M⊙ равна 1,98847 ± 0,00007) × 1030 кг. Она примерно в 332 946 раз больше массы Земли, которая равна (5,9722 ± 0,0006) × 1024 кг).