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 Большоговзрыва 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 дляобъединения протонов и электронов в атомы, то материя перешла в нейтральноесостояние ( рекомбинировала ), а излучение отделилось от нее — оно наблюдаетсясегодня в виде микроволнового фона . Это случилось спустя 380 тысяч летпосле Большого взрыва, что соответствует красному смещению около 1100. После этого наступили темные века , когда реликтовое излучение уже потеряло значительную часть энергиииз-за расширения пространства, но никаких новых источников электромагнитныхволн не появилось, только атомы водорода слабо светили в радиолинии с длинойволны в 21 сантиметр . Эта стадия продолжалась примерно сотню миллионов лет докрасного смещения около 30. Затем обычная материясобралась в достаточно плотные образования, чтобы появились первые звезды —наступил вселенский рассвет ( cosmic dawn ). Возникают первые галактики, в центрах которыхчерные дыры активно поглощали вещество, ярко светящееся по мере поглощения. Примернок 250 миллионам лет от Большого взрыва, то есть на красном смещении 15, вселенскийрассвет переходит в эпоху реионизации . На этом этапе появляется заметноеколичество излучения рентгеновского диапазона, которое заново переводит основнуючасть материи во Вселенной в состояние плазмы. Реионизация заканчиваетсяпримерно в то время, когда возраст Вселенной составлял миллиард лет, то есть накрасном смещении 6. Сегодня период жизни Вселенноймежду красными смещениями от 30 до 6, то есть вселенский рассвет и реионизация,изучены в первую очередь теоретически, в экспериментальном плане астрономы лишьприступают к непосредственному исследованию чрезвычайно слабых сигналов того времени. В работе Хулиана Муньоса (JulianMuñoz) из Гарвардского университета предложен новый способ изучения периодавселенского рассвета. Идея метода заключается в использовании возбужденныхскоростью акустических колебаний (velocity-induced acoustic oscillations — VAO)вещества. Согласно выводам автора, это явление приводит к возникновениюхарактерного пространственного масштаба в распределении обычной материи,который можно будет зарегистрировать в будущем. VAO должны рождаться послерекомбинации, когда обычная (барионная) материя заметно перемещается под действиемдавления излучения, а темная материя остается нечувствительной к этомувоздействию. В результате возникает несоответствие между скоростями двух видовматерии, которое может достигать сверхзвуковых значений. Эта разница такжедолжна формировать волнообразное распределение в трехмерном пространстве. VAO связаны с другим видомпространственных колебаний — барионными акустическими ( сахаровскими ) осцилляциями (baryon acousticoscillations — BAO), которые представляют собой волны плотности, прослеживаемые в крупномасштабнойструктуре Вселенной по распределению галактик. Однако в отличие от BAO, VAO раньше не наблюдались, причем считалось, что их влияниена 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 сбольшей разницей скоростей между барионной и темной материей звездообразованиебудет сильнее подавлено, там будет больше нейтрального водорода и сильнеепоглощение в линии 21 сантиметр. Более того, VAO практически не зависят от деталей формирования первых звезд, а их относительнопростая форма устанавливается в эпоху реионизации. В результате становитсявозможным изучение эпохи вселенского рассвета на красных смещениях около 15-20— это значительно более ранняя эпоха, чем доступна для изучения при помощилюбых обзоров галактик, в которых заметны BAO. Характерный размер VAO должен быть равен примерно 150 мегапарсекам. В частности, автор считаетвозможным определение постоянной Хаббла, то есть темпа расширения Вселенной вданную эпоху, посредством наблюдений поглощения в линии 21 сантиметр наинтерферометре 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