Найдена стандартная линейка для вселенского рассвета

Американский астрофизик нашел процесс, характеристики которого могут помочь исследовать Вселенную в эпоху появления первых звезд и галактик. Так называемые индуцированные скоростью акустические колебания в веществе должны порождать пространственные вариации в поглощении водорода, которые можно использовать для оценки темпа расширения Вселенной, пишет автор в двух работах в Physical Review Letters и Physical Review D.

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую кварк-глюонную плазму, которая остывала по мере расширения пространства. Из нее появились все частицы, составляющие видимую материю. Когда температура снизилась достаточно для объединения протонов и электронов в атомы, то материя перешла в нейтральное состояние (рекомбинировала), а излучение отделилось от нее — оно наблюдается сегодня в виде микроволнового фона. Это случилось спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва, что соответствует красному смещению около 1100.

После этого наступили темные века, когда реликтовое излучение уже потеряло значительную часть энергии из-за расширения пространства, но никаких новых источников электромагнитных волн не появилось, только атомы водорода слабо светили в радиолинии с длиной волны в 21 сантиметр. Эта стадия продолжалась примерно сотню миллионов лет до красного смещения около 30.

Затем обычная материя собралась в достаточно плотные образования, чтобы появились первые звезды — наступил вселенский рассвет (cosmic dawn). Возникают первые галактики, в центрах которых черные дыры активно поглощали вещество, ярко светящееся по мере поглощения. Примерно к 250 миллионам лет от Большого взрыва, то есть на красном смещении 15, вселенский рассвет переходит в эпоху реионизации. На этом этапе появляется заметное количество излучения рентгеновского диапазона, которое заново переводит основную часть материи во Вселенной в состояние плазмы. Реионизация заканчивается примерно в то время, когда возраст Вселенной составлял миллиард лет, то есть на красном смещении 6.

Сегодня период жизни Вселенной между красными смещениями от 30 до 6, то есть вселенский рассвет и реионизация, изучены в первую очередь теоретически, в экспериментальном плане астрономы лишь приступают к непосредственному исследованию чрезвычайно слабых сигналов того времени.

В работе Хулиана Муньоса (Julian Muñoz) из Гарвардского университета предложен новый способ изучения периода вселенского рассвета. Идея метода заключается в использовании возбужденных скоростью акустических колебаний (velocity-induced acoustic oscillations — VAO) вещества. Согласно выводам автора, это явление приводит к возникновению характерного пространственного масштаба в распределении обычной материи, который можно будет зарегистрировать в будущем.

VAO должны рождаться после рекомбинации, когда обычная (барионная) материя заметно перемещается под действием давления излучения, а темная материя остается нечувствительной к этому воздействию. В результате возникает несоответствие между скоростями двух видов материи, которое может достигать сверхзвуковых значений. Эта разница также должна формировать волнообразное распределение в трехмерном пространстве. VAO связаны с другим видом пространственных колебаний — барионными акустическими (сахаровскими) осцилляциями (baryon acoustic oscillations — BAO), которые представляют собой волны плотности, прослеживаемые в крупномасштабной структуре Вселенной по распределению галактик. Однако в отличие от BAO, VAO раньше не наблюдались, причем считалось, что их влияние на скорости барионов слишком мало и будет скрыто вкладом других процессов, таких как гидродинамические движения плазмы.

Муньос приводит расчеты, которые показывают возможность наблюдения VAO в сигнале поглощения водорода на длине волны в 21 сантиметр: в областях с большей разницей скоростей между барионной и темной материей звездообразование будет сильнее подавлено, там будет больше нейтрального водорода и сильнее поглощение в линии 21 сантиметр. Более того, VAO практически не зависят от деталей формирования первых звезд, а их относительно простая форма устанавливается в эпоху реионизации.

В результате становится возможным изучение эпохи вселенского рассвета на красных смещениях около 15-20 — это значительно более ранняя эпоха, чем доступна для изучения при помощи любых обзоров галактик, в которых заметны BAO. Характерный размер VAO должен быть равен примерно 150 мегапарсекам. В частности, автор считает возможным определение постоянной Хаббла, то есть темпа расширения Вселенной в данную эпоху, посредством наблюдений поглощения в линии 21 сантиметр на интерферометре HERA.

Ранее сообщалось, что астрономы увидели в космосе первую молекулу Вселенной. Также ученые не прекращают попыток снять «напряженности Хаббла» между различными способами оценки скорости расширения Вселенной: одни используют мириды и красные гиганты в качестве стандартных свечей, а другие предлагают ввести раннюю темную энергию.