Международная группа астрономов объявила о том, что впервые с Земли был обнаружен поляризованный сигнал космического микроволнового фона (CMB), возникший в эпоху космического рассвета — периода, когда образовались первые звезды Вселенной.
Наблюдение стало возможным благодаря Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS). CLASS — это комплекс телескопов, работающих в чилийской пустыне Атакама и предназначенных для исследования самых слабых сигналов, поступающих из первых миллиардов лет после Большого взрыва.
Обнаруженный сигнал является результатом взаимодействия остаточных фотонов Большого взрыва и электронов, высвобожденных в результате ионизации нейтрального водорода, вызванной ультрафиолетовым излучением первых звезд. Этот процесс оставил характерный след в поляризации реликтового излучения, который чрезвычайно трудно обнаружить из-за его слабости. Фактически, этот сигнал примерно в миллион раз слабее обычного космического излучения.
Это достижение особенно важно, потому что до сих пор такого рода измерения проводились исключительно в ходе космических миссий, таких как Planck ESA и WMAP NASA. Наблюдения с Земли страдают от помех атмосферы и электромагнитного шума, генерируемого наземными передачами, что затрудняет идентификацию таких слабых космических сигналов.
Экстремальный космический сигнал, уловленный с Земли
Поляризованный свет, наблюдаемый командой, генерируется, когда фотоны реликтового излучения сталкиваются со свободными электронами, изменяя направление их колебаний. Этот эффект рассеяния известен, но его трудно измерить из-за низкой интенсивности и наличия фонового шума. Оборудование CLASS было специально разработано для уменьшения этих помех. Оно сочетает в себе усовершенствованную оптику, криогенные технологии и наблюдательный пункт, расположенный на большой высоте и с низкой влажностью.
Используя несколько диапазонов наблюдения от 38 до 217 ГГц, проект CLASS создал карты неба, охватывающие 75% небесного свода, с чувствительностью, превосходящей в некоторых аспектах характеристики предыдущих спутников. Сочетание данных CLASS с Земли с данными Planck и WMAP из космоса позволило точно выделить общий сигнал космической поляризации.
Новые карты CLASS имеют меньше шума по сравнению с соответствующими картами космических миссий. Фото: Университет Джона Хопкинса
Исследователи используют эффективное сравнение: поляризованный космический свет похож на блики, отражающиеся от кузова автомобиля. Задача ученых заключалась в том, чтобы «надеть» поляризованные очки, чтобы отличить отражение от реального изображения. Это позволило более четко и непосредственно измерить момент, когда Вселенная стала прозрачной для света.
Новый инструмент для исследования темной материи и нейтрино
Эти наблюдения укрепляют роль измерений реликтового излучения как космологической лаборатории. Повышение точности измерения поляризации реликтового излучения позволяет сузить теоретические модели, связанные с неуловимыми компонентами Вселенной, такими как темная материя и нейтрино. Последние, хотя и встречаются в большом количестве, чрезвычайно трудно наблюдать напрямую, но они оказывают измеримое влияние на поведение реликтового излучения.
Чарльз Беннетт, один из руководителей проекта и бывший руководитель миссии WMAP, подчеркнул, что каждое улучшение в этих измерениях может привести к более глубокому пониманию фундаментальной физики. Следующие этапы проекта CLASS будут включать анализ еще более подробных данных с целью достижения максимальной точности, допускаемой современными технологиями.
Успех проекта также демонстрирует, что наблюдение за первым космическим светом больше не является исключительной прерогативой космоса. Наземные телескопы, при наличии подходящих условий и оборудования, сегодня могут внести значительный вклад в наблюдательную космологию, дополняя, а иногда и превосходя результаты, полученные в ходе космических миссий.
Результаты были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal, которое можно найти здесь.