Новости

Jun 27, 2023

Первый свет во Вселенной может помочь разгадать космическую историю

Космический микроволновый фон несет в себе запись событий на протяжении 13,8 миллиардов лет истории Вселенной. Точно так же, как Чарльз Дарвин однажды использовал летопись окаменелостей, чтобы рассказать историю

Космический микроволновый фон несет в себе запись событий на протяжении 13,8 миллиардов лет истории Вселенной.

Точно так же, как Чарльз Дарвин однажды использовал летопись окаменелостей, чтобы рассказать историю эволюции жизни на Земле, астрономы используют первый свет, когда-либо светивший во Вселенной, чтобы понять события, которые сформировали космос.

Этот первый свет называется «космическим микроволновым фоном» (CMB) — остаточным излучением, которое почти равномерно распространяется по Вселенной. Реликтовое излучение несет в себе признаки физических процессов ранней Вселенной и обладает уникальными характеристиками, которые можно использовать для определения состава Вселенной.

Точно так же, как развивались исследования биологической эволюции со времен Дарвина, изменились способы, которыми космологи используют это космическое ископаемое, и будущие миссии призваны усилить внимание к реликтовому излучению и тому, чему оно может научить нас о том, как устроена Вселенная. развивался.

Связанный:Что такое космический микроволновый фон?

В понедельник, 2 июля, на Национальном астрономическом собрании 2023 (NAM 2023), проходившем в Кардиффском университете в Великобритании, астрофизик Эрминия Калабрезе представила обзоры того, где наука о реликтовом излучении находится в настоящее время и куда она движется в ближайшем будущем.

«Причина, по которой этот свет действительно стал движущей силой современной космологии, заключается в том, что он присутствовал на протяжении всей космической истории», — сказал Калабрезе. «Он был там с самого начала, он прошел через все, что пережила Вселенная. Он прошел через формирование первых звезд, формирование и развитие крупномасштабной структуры Вселенной.

«Отправляясь к нам, он, по сути, уловил отпечатки всей этой физики и несет их с собой сегодня».

Если бы вы могли отправиться примерно на 380 000 лет назад в космической истории, к моменту, когда Вселенная была заполнена плотным горячим супом из электронов и протонов, первое, что вы бы заметили, — это то, насколько темен космос.

Причина, по которой эта ранняя эпоха в 13,8-миллиардной истории Вселенной является буквальным космическим темным веком, заключается в том, что обилие свободных электронов означало, что фотоны, частицы света, бесконечно рассеивались, что не позволяло им путешествовать. В то время Вселенная была практически непрозрачна для света.

«Итак, мы наблюдаем самый первый свет, когда-либо испускаемый во Вселенной, состоящий из фотонов, испущенных во время Большого взрыва», — объяснил Калабрезе. «Фотоны оказались в ловушке во взаимодействии со всем остальным, а это означает, что любое явление частиц, которое происходило в этой очень горячей и плотной фазе Вселенной, взаимодействовало с этими фотонами».

Это означает, что, находясь в ловушке, фотоны создавали записи физики ранней Вселенной, но они не могли оставаться в ловушке и в равновесии с материей вечно.

В конце концов, претерпев быструю космическую инфляцию в результате Большого взрыва, Вселенная расширилась и охладилась достаточно, чтобы позволить электронам связываться с протонами и образовывать первые нейтральные атомы. Это известно как период рекомбинации, хотя электроны и протоны ранее не были связаны.

Первоначально свет, составляющий реликтовое излучение, был невероятно горячим и энергичным, но по мере того, как Вселенная продолжала расширяться, он остыл и потерял энергию, в результате чего частота этого излучения снизилась до микроволновой области электромагнитного спектра.

Калабрезе объясняет, что в настоящее время реликтовое излучение принимает форму поля излучения с температурой 2,7 Кельвина (-455 градусов по Фаренгейту или -270,4 градуса по Цельсию).

Поскольку рекомбинация произошла во всей Вселенной одновременно, реликтовое излучение равномерно распространяется к нам со всех сторон. Это означает, что это космическое ископаемое выглядит одинаково во всех областях неба, которые ученые называют изотропными.

Это сходство, даже на противоположных сторонах Вселенной в областях, которые в настоящее время не находятся в контакте, является одним из ключевых доказательств того, что Вселенная когда-то существовала в горячем и плотном состоянии, а затем претерпела период быстрой инфляции, которую мы теперь называем Большой взрыв. Но именно в тех областях, где возникают крошечные различия, ученые находят полезную космическую летопись окаменелостей.