Примерно 14 миллиардов лет назад наша Вселенная появилась в результате грандиозного события, которое получило название Большой взрыв. Сегодня у нас есть огромное количество доказательств, подтверждающих эту теорию. Одним из самых убедительных свидетельств в её пользу является открытие остатков первозданного огненного шара. Эти данные предоставляют настоящую сокровищницу информации о нашей Вселенной, так что давайте исследуем её поподробнее.
Космическое микроволновое фоновое излучение (далее КМФ) - это самый древний объект наблюдения в истории космоса, который был открыт в 1964 году. Оно является свидетельством того времени, когда Вселенная остыла до такой степени, что стала прозрачной. Это случилось приблизительно через 380 000 лет после её возникновения. В результате расширения Вселенной температура послесвечения Большого взрыва сейчас составляет 2,7 Кельвина или -455 градусов по Фаренгейту. Эта температура одинакова во всех направлениях, образуя вокруг нас сферу.
Воспроизведение трёхмерной сферы космического микроволнового фонового излучения (КМФ) на двумерном экране подобно созданию карты Земли. Таким образом, то, что вы видите на экране, - это проекция КМФ, наблюдаемого с Земли.
На этой проекции красный цвет соответствует температуре 5,4 Кельвина, а синий - 0 Кельвинов. Но на самом деле вы видите в основном зелёный цвет, который соответствует 2,73 Кельвина. Это потому, что КМФ однородно во всех направлениях с точностью до десятых долей процента.
Это измерение было значительно уточнено в 1998 году, когда спутник COBE (Космический исследователь фонового излучения) проводил поиск крошечных вариаций в КМФ.Когда исследователи проанализировали данные, они обнаружили, что одна половина неба была чуть теплее другой. Одна сторона имела температуру 2,724 Кельвина, а другая - 2,732 Кельвина.
Это небольшое несоответствие связано с движением Земли относительно КМФ и аналогично эффекту Доплера, используемому астрономами для определения удаления галактик от нас. Это крошечное смещение указывает на то, что Млечный Путь движется со скоростью примерно 370 километров в секунду в направлении созвездия Льва, если сравнивать со средней скоростью Вселенной.
Итак, когда мы поняли, что наша галактика, Млечный Путь, движется относительно средней скорости расширения Вселенной, перед нами открывается возможность корректировать это движение для поиска более мелких и тонких вариаций в излучении.
На экваторе карты вы можете заметить красную полосу. Это микроволны, которые испускает газ нашей галактики. Данные, связанные с этим явлением, необходимо вычесть, чтобы получить наиболее чистую и точную картину происходящего. Когда астрономы из проекта COBE вычли влияние Млечного Пути, у них в руках осталась карта с красными и синими пятнами. Эта карта – результат точного измерения микронеравномерностей в распределении космического микроволнового фонового излучения.
Разница в температуре между красными и синими пятнами на этой карте составляет всего около 20 микрокельвинов. Это огромное достижение в области астрономии. Однако для полного понимания масштаба этого прорыва, давайте сравним полученные результаты с чем-то более земным. Представьте себе карту Земли, сфотографированную спутником COBE и обработанную с помощью тех же алгоритмов. Как видите, изображение получается довольно размытым. Но это не повод для критики, ведь технологии, использованные в спутнике COBE, уже были относительно устаревшими на момент получения этих данных более 20 лет назад.
После запуска спутника COBE в космос были выведены ещё два аппарата, предназначенных для изучения космического микроволнового фонового излучения (КМФ). Первым был запущен спутник WMAP в 2001 году, затем последовал Planck в 2009 году. На представленных изображениях видно, что каждое новое устройство предоставляло более четкие и детализированные снимки СМФ. Спутник Planck, в частности, предоставил наиболее высококачественное изображение КМФ, которое мы имеем на сегодняшний день.
Обратите внимание на пятна на карте, которые отображают звуковые волны, существовавшие во Вселенной через 380 000 лет после Большого взрыва. В этом контексте под звуком понимается изменение плотности материала, а материалом в данном случае выступает плазма ранней Вселенной. Красновато-оранжевые участки указывают на зоны повышенной плотности плазмы, в то время как синие участки обозначают зоны с пониженной плотностью.
Как оказалось, расчет наиболее вероятных длин волн, которые могли существовать в горячей плазме Большого взрыва до момента видимости КМФ, не представляет особых трудностей.
Кроме того, нам известно сегодняшнее расстояние до сферы, в которой заключено КМФ. Эти два расстояния формируют треугольник, исходя из которого астрономы могут рассчитать наиболее вероятный угол между соседними "горячими" пятнами. В результате таких расчетов оказалось, что этот угол составляет примерно один градус.
Если мы предполагаем, что пространство вокруг нас плоское, то расстояние между соседними пятнами на карте КМФ и угол между ними будут отражать реальное положение вещей. Однако, если пространство имеет искривление – например, форму сферы или седла – линии, соединяющие наши глаза с КМФ, искажаются. Это искажение приведёт к тому, что видимый нами угол между пятнами будет отличаться от того, который мы бы наблюдали в плоском пространстве, и изменит видимое нами расстояние между пятнами: оно увеличится в случае сферического пространства и уменьшится – в случае седлообразного. Иными словами, анализ углового расстояния между соседними пятнами позволяет судить о геометрии пространства.
Итак, если обратиться к данным, полученным спутником Planck, и определить наиболее распространенный угол между яркими пятнами, то мы увидим, что он составляет примерно один градус. Этот факт подтверждается графиком, на котором пик распределения находится именно около отметки в один градус. Это говорит о том, что пространство вокруг нас либо плоское, либо близко к плоскому.
Однако следует помнить, что любое экспериментальное измерение имеет свою погрешность. И если учесть погрешность измерения угла между пятнами, то она допускает возможность небольшого искривления пространства – на уровне не более 0,2%. Это искривление, в свою очередь, подразумевает, что реальный радиус Вселенной как минимум в пятьсот раз больше радиуса видимой нам Вселенной.
Это говорит о том, что объем Вселенной, в которой мы живем, по меньшей мере в 125 миллионов раз превосходит объем той части Вселенной, которую мы способны видеть. Вполне возможно, что Вселенная еще более огромна. Весь этот вывод можно сделать, проанализировав мельчайшие неоднородности в КМФ. И этот факт по-прежнему продолжает поражать умы ученых.
Но КМФ может рассказать нам не только об этом. Выяснилось, что расстояние между соседними яркими и темными пятнами варьируется в зависимости от соотношения обычного вещества, темного вещества и темной энергии во Вселенной.
И таким образом, сравнивая теоретические прогнозы и фактические измерения, мы можем достаточно точно определить соотношение обычного и темного вещества во Вселенной.
Обычное вещество составляет 4.9% от общей массы, а темное вещество — 25.9%. Даже незначительное изменение этих долей приводит к расхождению данных и предсказаний. Это просто удивительно. Таким образом, КМФ является невероятно полезным инструментом для понимания Вселенной.
Надеемся, что эта статья была для вас познавательной и интересной. Мы всегда стараемся раскрывать для вас захватывающие тайны Вселенной и приглашаем вас подписаться на наш канал, чтобы быть в курсе последних новинок в мире астрономии и космологии.
Не забывайте ставить лайки и делиться статьями с друзьями - это помогает нам развиваться и создавать для вас ещё более интересный контент. Спасибо за внимание, и до новых встреч в космическом пространстве нашего канала!
