Ново доказателство за експанзията след Големия взрив

Микровълновото фоново лъчение е едно от малкото явления, останали във Вселената от времената на Големия взрив.

То се е образувало в момента на зараждането на пространство-времето и днес, изучавайки неговите свойства, физиците получават възможност да разкрият някои тайни от нашия свят.

През март 2013 година ръководителите на мисията „Планк“ съставиха най-точната карта на реликтовото лъчение, благодарение на която извършиха редица впечатляващи открития.

В рамките на проекта POLARBEAR, ръководен от Калифорнийския университет в Бъркли, учените са решили да изучат микровълновия фон на Вселената в големи подробности. Изследователите са измерили поляризацията на древната космическа светлина с помощта на уредите на обсерваторията в чилийската пустиня Атакама.

В статия, публикувана в изданието Astrophysical Journal, астрофизици под ръководството на Адриан Лий описват експеримент по първото успешно измерване на B-mode поляризацията на космическия микровълнов фон, предизвикана от ефекта на гравитационно микролинзиране.

Поляризацията се явява характеристика на електромагнитното поле, която отразява посоката и особеностите на разпространение на вълните. B-mode поляризацията на фоновото реликтово лъчение заедно с Е-mode се явяват един от поляризираните компоненти на лъчението.

Първата компонента може да е инициирана от инфлационното разширение на Вселената след Големия взрив или от въздействието на гравитационните лещи, когато светлината преминава през масивни, изкривяващи пространство-времето обекти, като например галактични купове.

„Нашето изследване се заключава в демонстрация на това, че B-mode поляризацията може да се измери отделно, наблюдавайки непосредствено само тази светлина, която е преминала през гравитационната леща. Така ние показахме, че може да се уловят базовите сигнали, които позволяват да се измерят масите на частиците неутрино и дори да се търсят тъмна материя и тъмна енергия“, разказва Лий.

Напомняме, че с микровълновото фоново лъчение работеше и екипът BICEP2, който през юни 2014 година разказа за откриване на загадъчните гравитационни вълни, опитвайки се да докаже факта, че във времената на космическата инфлация, тоест само 380 000 години след Големия взрив, Вселената се е разширявала със скорост, превишаваща светлинната.

Само няколко месеца по-късно екип независими изследователи от Харвард-Смитсъниънския център по астрофизика демонстрира на научната общественост, че в рамките на проекта BICEP2 учените може да са видели не следи от гравитационни вълни, а прост фонов ефект от галактичен прах. Буквално преди месец учените от Европейската космическа агенция потвърдиха този факт с уточнена карта на реликтовото лъчение от телескопа „Планк“.

Изследването, което са провели Лий и колегите му в рамките на мисията POLARBEAR, потенциално е способно да разреши този спор между астрофизиците. Вниквайки в ранната история на Вселената, учените ще могат да открият и отговор на интригуващия въпрос за това как се е появила тъмната енергия, която провокира ускоряващото се разширение на Вселената.

Както вече споменахме, проектът POLARBEAR изучава B-mode поляризацията, чието наличие в светлината означава, че тя е преминала през някаква гравитационна леща. За разлика от инсталацията BICEP2, POLARBEAR е ориентиран не само на големи, но и на малки ъглови мащаби, тоест той е способен да измери ъгъла на посоката на електричното поле с резолюция около три ъглови минути.

Така учените получили възможност да измерят дори масите на обектите – гравитационните лещи, през които е преминала светлината и е получила своята поляризация.

Поляризацията на реликтовото лъчение регистрира най-малките колебания на плътността на общия фон от ранната епоха в живота на Вселената. Те впоследствие са станали масивни космически структури. Преди около 13,8 млрд. години Вселената е била толкова плътна и гореща, че светлината безкрайно е скачала от една частица към друга, постоянно разсейвайки и йонизирайки атомите, които са успявали да се формират.

„В тези времена Вселената е била устроена доста просто – една водородна плазма и тъмна материя“, пояснява Лий.

Тъмната материя, както е известно, оказва гравитационно влияние на околните обекти. И все пак частиците на тази субстанция не участват в електромагнитно взаимодействие и затова са „невидими“ за съвременните уреди.

Уникалността на методиката на Лий по измерване на B-mode поляризацията на лъчението се заключава още в това, че тя позволява да се установи преминава ли светлината през големи участъци тъмна материя (които също може да влизат в ролята на гравитационни лещи) и каква е масата на тези участъци.

Авторите на проекта твърдят, че възможността за грешка е изключена. Толкова точно измерване на поляризацията на лъчението позволява ясно да се различат фотоните, поляризирането на междузвездния прах (основен източник на фонови ефекти, регистрирани в експериментите) и фотоните, които са преминали през далечни гравитационни лещи на ранните етапи от съществуването на Вселената.

„Абсолютно сме сигурни, че B-mode поляризацията на светлината, която ние наблюдаваме, има космологичен, а не галактичен произход“, твърди съавторът на изследването Кам Арнолд от Калифорнийския университет в Сан Диего.

Засега учените са съставили карта на поляризираното лъчение в B-mode на три малки участъка от небето. Бъдещото картографиране на обозримия Космос ще позволи да се разбере повече за това, как е изглеждала Вселената дълго преди появата на звезди и галактики и защо толкова парадоксално се държи днес.