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 должно 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 движение 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. Тимур Кешелава