Загадка темної енергії. Як її розгадують за допомогою звуків Всесвіту

До появи зірок чи планет, до чорних дір і білих карликів, навіть до атомів чи променів світла Всесвіт наповнювало дещо незвичне – звук. Цей первісний гул рухався зі швидкістю, майже вдвічі меншою за швидкість світла, крізь перегріту плазму баріонів, фотонів і темної матерії.

Він виник внаслідок боротьби між давніми та могутніми фундаментальними силами, які генерували звукові хвилі в цьому електрично зарядженому місиві частинок. Потім, лише через кілька сотень тисяч років свого існування, плазма зникла, як ранковий туман. Всесвіт раптово повністю замовк.

Однак досі можна вловити відлуння цих перших звукових хвиль, які поширилися нашим новонародженим Всесвітом – якщо знати, де шукати. Брижі, які вони створили в плазмі, залишили постійний відбиток на розподілі матерії у Всесвіті. Крім того, вони дають астрономам підказки про одну з найбільших таємниць нашого Всесвіту сьогодні - таємничу силу, відому як темна енергія.

Первісні звукові хвилі – також відомі як баріонні акустичні осциляції (БАО) – утворилися, коли частинки в ранньому Всесвіті почали притягуватися гравітацією.

"Гравітаційне тяжіння темної матерії в ранньому Всесвіті створювало "потенційні колодязі", затягуючи плазму всередину", - каже Ларісса Сантос, професорка Центру гравітації та космології Університету Янчжоу, Китай.

Однак плазма була настільки гарячою, що також створювала протилежну силу.

"Фотони створювали радіаційний тиск, який боровся з гравітацією, і виштовхував усе назад. Ця боротьба створювала акустичні коливання — звукові хвилі", - пояснює вона.

БAO виривалися назовні з незліченних потенційних колодязів, утворюючи концентричні сфери звукової енергії, що розширювалися. Вони перетиналися одне з одним, формуючи у плазмі надзвичайно складні тривимірні візерунки.

Однак якби люди існували в епоху "баріонних акустичних осциляцій" (БАО), вони б нічого не почули. Звуки були приблизно на 47 октав нижчими за найнижчу ноту на піаніно з величезною довжиною хвилі - приблизно 450 000 світлових років.

Цей дуже глибокий, нечутний гул поширювався у середовищі, до якого не в змозі проникнути навіть наші найпотужніші телескопи. Чим глибше ми вдивляємося у Всесвіт, тим давніші події в його історії ми бачимо - через час, який потрібен світлу, щоб нас досягти.

Однак наші можливості обмежені, оскільки електричні заряди від роз'єднаних протонів і електронів на цих ранніх стадіях існування Всесвіту безперервно розсіювали світло, створюючи світіння, у яке неможливо проникнути. Але БAO створили своєрідні візерунки у цьому середовищі, і ми можемо побачити докази цього у Всесвіті сьогодні.

Космічний телескоп "Планк" зміг вловити відлуння БAO з раннього Всесвіту, і вчені змогли перевести їх у частоти, які ми можемо почути.

Потім, приблизно у віці 379 000 років, Всесвіт охолонув настільки, що протони й електрони з’єдналися в пари й утворили перші нейтральні атоми водню. Плазма зникла, раптово зробивши Всесвіт прозорим для світла. Тоді ж битва між радіацією та гравітацією закінчилася, БAO зникли, і Всесвіт замовк.

Вибух світлової енергії, який поширився Всесвітом, був настільки потужним, що він досі, через понад 13 мільярдів років, будоражить радіотелескопи та спокушає фізиків - у вигляді сигналу, відомого як космічне мікрохвильове випромінювання (КМВ) або реліктове випромінювання. КМВ є найдавнішим і найдетальнішим візуальним записом раннього Всесвіту. У ньому вчені також можуть побачити "викопні літописи" перших звуків Всесвіту.

"Ми бачимо їхні сигнатури (характерні ознаки - Ред.) на космічному мікрохвильовому фоні, а також у великомасштабній структурі Всесвіту", - каже Сантос, яка бере участь у новому міжнародному радіотелескопічному проєкті, що аналізує сучасні відлуння цієї пісні.

Сигнатури БAO не тільки натякають на те, як звучав ранній Всесвіт, але також допомагають вимірювати вплив ще одного невидимого явища - темної енергії.

Темна енергія змушує Всесвіт розширюватися. Її вплив видно скрізь, однак її природа невідома. Вивчення масштабу сигнатур БAO на різних відстанях від Землі розповідає історію про те, як вплив темної енергії змінювався протягом історії Всесвіту.

"Ми називаємо це стандартною лінійкою, - каже Сантос. - Ми маємо цю фіксовану шкалу. Завдяки ній ми можемо бачити, як Всесвіт еволюціонував у часі".

Сантос бере участь у проєкті радіотелескопа "Бінго", який зараз будують у північно-східному бразильському штаті Параїба. Він налаштований на характерні сигнатури випромінювання водню - найпростішого, найдавнішого та найпоширенішого атома у Всесвіті.

Атоми водню мають випромінювання з довжиною хвилі 21 сантиметр - невидиме для людського ока, але його можна виявити за допомогою радіотелескопа. Таке випромінювання від хмар водню, розташованих на великій відстані, розтягується за допомогою темної енергії, внаслідок чого довжина хвилі, яку ми бачимо тут, на Землі, збільшується. І чим більшу відстань воно долає, тим більше розтягується.

"Ви обираєте частоту для радіотелескопа відповідно до епохи Всесвіту, яку хочете виміряти", - каже Сантос. "Бінго" розробили для картографування розподілу водню на відстані від одного мільярда до чотирьох мільярдів світлових років – відносно близько в космічному масштабі.

Два височезних параболічних дзеркала "Бінго" відбивають це первісне випромінювання на масив із 50 детекторів хвиль. Основною рухомою частиною телескопа є планета, на якій він розміщений - Земля, що обертається, переміщує телескоп під зірками, завдяки чому він сканує смугу неба 15 градусів на 200 градусів.

За допомогою складних розрахунків команда Сантос аналізуватиме ці дані, щоб знайти мільйони галактик, дослідити їх відносну відстань одна від одної та глибше дослідити, як темна енергія вплинула на моделі БAO в ту епоху.

"Бінго" зазирне до пізнього Всесвіту, коли темна енергія вже домінувала в його розширенні. Це дуже добре доповнить інші експерименти", - каже вона.

Багато з цих інших експериментів уже проводяться або заплановані.

"За допомогою картографування інтенсивності водню в принципі можна виміряти будь-що у Всесвіті від сьогоднішнього дня до КМВ. Це величезний обсяг для дослідження", - каже Синтія Чіанг, професорка фізики, яка вивчає щільність водню в Університеті Макгілла в Монреалі, Канада.

"Бінго" та інші подібні експерименти шукають газ, який перебуває всередині галактик. Це індикатор того, де знаходиться матерія", - пояснює вона.

І хоча Чіанг переважно цікавлять інструменти, налаштовані на відносно близькі регіони, вона також жадає відповідей про решту космічної історії.

"Я організовую експеримент, налаштований на частоти, які відповідають "Темним століттям". Це період, який іде відразу за формуванням мікрохвильового фону. Ми ніколи не мали доступу до космології цього періоду, тому що це дуже, дуже важко зробити", - каже вона.

Між "поверхнею останнього розсіювання", коли баріонна плазма поступилася місцем КМВ, і "космічним світанком", коли засяяло перше зоряне світло, минуло від 250 до 350 мільйонів років. БAO залишили хмари водню, скупчені тонкими смугами - подібно до відпливу, який залишає брижі на піску.

Перш ніж Чіанг зможе отримати доступ до 21-сантиметрового випромінювання цієї епохи, їй потрібно спершу спланувати експерименти, щоб відфільтрувати новіші сигнали з нашої власної галактики, які можуть маскувати старіші дані.

"Як випливає з назви, у Темні століття Всесвіт був дуже темним і нудним місцем. Сигнал, який ми отримуємо звідти, - це майже рівномірне 21-сантиметрове випромінювання цієї стіни водню. Але є слабкі коливання яскравості, крихітні холодні та гарячі точки", - каже вона.

За словами Чіанг, реліктове випромінювання схоже на нерухому фотографію, яка фіксує (з дивовижною детальністю) ключовий момент космологічної еволюції. Однак картографування щільності водню в Темні століття охопило б сотні мільйонів років, які були одразу після них.

"Це тривимірний об’єм, який можна досліджувати, - каже Чіанг. - Якщо ми зможемо виміряти ту саму інформацію, що й у КMB, але натомість відображену у водні, ми отримаємо набагато більше інформації, і потенційно зможемо ще більше звузити космологічні параметри. Якщо ми досягнемо цього, це буде дивовижно. Але до цього лежить ще дуже довгий шлях".

Ці експерименти Чіанг та телескоп "Бінго" стануть черговим доповненням до низки інших інноваційних приладів, що досліджують БAO, масштабну структуру Всесвіту та невидиму темну енергію.

Сантос також сподівається, що БAO зможуть ще більше розказати про минуле Всесвіту, коли вдасться пробитися крізь стіну плазми товщиною 379 000 років і отримати дані про попередню "інфляційну епоху" Всесвіту, під час якої, як вважають більшість космологів, космос розширювався зі швидкістю, більшою за швидкість світла.

Космологічна інфляція - це теорія про те, як наш Всесвіт зі свого крихітного, гарячого та щільного початкового стану став тим космосом, який ми бачимо сьогодні. Ця теорія має багато варіацій, але не має прямих підтверджень.

Баріонні акустичні осциляції існували лише кілька сотень тисяч років, але вони допомогли створити - і допомагають вченим розповідати - історію невидимого Всесвіту від його першої миті до останньої.