Реликтовое излучение: секретный код Вселенной, который расшифровывает Южнополярный телескоп

Вы когда-нибудь задумывались, что было в самом начале вселенной? Как она возникла из ничего и как стала такой, какой мы ее видим сегодня? Эти вопросы волнуют не только философов, но и ученых, которые пытаются найти на них ответы с помощью науки.

Одним из способов заглянуть в прошлое вселенной — это посмотреть на самый древний свет, который когда-либо существовал. Этот свет называется реликтовым излучением (CMB), и он был излучен всего через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда вселенная была горячим и плотным супом из частиц и энергии. Этот свет до сих пор летит по пространству, и если мы можем его поймать, мы можем узнать много интересного о том, как выглядела и как вела себя ранняя вселенная.

Но поймать этот свет не так просто, как может показаться. Он очень слабый и тусклый, и на его пути к Земле стоит много преград, которые его искажают и затемняют. Например, атмосфера Земли, наша собственная галактика, другие галактики и скопления материи. Все эти вещи искажают свет CMB под своим гравитационным воздействием, создавая эффект, который называется гравитационным линзированием. Это значит, что реликтовое излучение меняет свое направление и форму из-за тех объектов, которые находятся между нами и источником света. Этот эффект был предсказан Альбертом Эйнштейном в рамках его теории общей относительности.

Гравитационное линзирование CMB — это одновременно и проблема, и полезное явление для ученых. С одной стороны, оно мешает увидеть чистый сигнал от реликтового излучения, который рассказал бы нам только о ранней вселенной. С другой стороны, оно дает нам дополнительную информацию о том, как распределена материя во вселенной, включая темную материю, которая не светится, но влияет на гравитацию.

Для того, чтобы извлечь максимум пользы из гравитационного линзирования CMB, нужно иметь очень точные измерения этого света. И одним из лучших мест на Земле для этого является Южный полюс. Здесь атмосфера сухая и стабильная, а местность удалена от источников светового и радиоизлучения. Именно поэтому на станции Амундсен-Скотт на Южном полюсе установлен мощный телескоп, который называется Южнополярным телескопом (SPT).

SPT работает с 2007 года и с тех пор дал множество важных результатов по изучению CMB и других астрономических объектов. В 2017 году телескоп получил новую камеру, которая называется SPT-3G. Эта камера имеет 16 тысяч детекторов, что в 10 раз больше, чем у предыдущей камеры. Это позволяет ей делать более четкие и детальные снимки неба в микроволновом диапазоне.

SPT-3G — это совместный проект нескольких научных организаций, в том числе Национального научного фонда США, Национальной лаборатории Аргона и Университета Чикаго. Целью проекта является получение самых точных измерений CMB и его гравитационного линзирования, а также поиск следов космической инфляции — быстрого расширения вселенной в самые первые моменты после Большого взрыва.

Недавно ученые, участвующие в проекте, опубликовали первые результаты измерений гравитационного линзирования CMB от SPT-3G в журнале Physical Review D. Эти результаты основаны на данных, собранных за несколько месяцев в 2018 году, но уже показывают высокую точность и согласованность с теорией. Ученые подтвердили, что наблюдаемые паттерны линзирования хорошо объясняются общей теорией относительности и нашим текущим пониманием формирования структур материи во вселенной.

Это лишь начало исследований, которые планируются с помощью SPT-3G. У ученых есть еще пять лет данных, которые они сейчас анализируют, и которые обещают дать еще более мощные прозрения о природе нашей вселенной. В частности, они надеются найти признаки космической инфляции, которая, по некоторым теориям, должна была породить гравитационные волны в ранней вселенной. Эти гравитационные волны, в свою очередь, должны были оставить свой отпечаток на CMB в виде специального типа поляризации, называемого B-модами. Однако для того, чтобы обнаружить эти B-моды, нужно очень точно учитывать и удалять вклад от гравитационного линзирования, которое также создает B-моды, но другого происхождения.

SPT-3G — это не просто телескоп, а окно в прошлое и будущее вселенной. Он помогает нам понять, откуда мы пришли и куда мы движемся. Он дает нам возможность увидеть то, что скрыто от наших глаз, но важно для нашего существования. Он демонстрирует, как мощна и красива наука, которая стремится раскрыть тайны космоса.