7 миллиардов лет назад Вселенная была горячей штучкой: как ученые измерили температуру реликтового излучения

Когда учёные смотрят в глубины космоса, они фактически заглядывают в прошлое. Свет от далёких объектов путешествует миллиарды лет, прежде чем достичь наших телескопов. И чем дальше этот свет, тем древнее эпоха, которую мы видим. Команда исследователей из Университета Кэйо в Японии смогла с поразительной точностью измерить температуру Вселенной, существовавшей семь миллиардов лет назад, и тем самым проверила одно из ключевых предсказаний теории Большого взрыва.

"Мы измерили температуру реликтового излучения — слабого послесвечения Большого взрыва — на расстоянии в семь миллиардов световых лет", — заявил руководитель исследования Татсуя Котани.

Как удалось заглянуть в прошлое

Обычно температура космоса сегодня определяется по микроволновому фоновому излучению — своеобразному "эху" Большого взрыва, которое пронизывает всё пространство и имеет температуру около 2,7 К (то есть на 2,7 градуса выше абсолютного нуля). Но японским учёным удалось измерить температуру не нынешнего, а древнего излучения, каким оно было миллиарды лет назад.

Для этого команда использовала данные радиотелескопа ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), расположенного в чилийской пустыне Атакама. Они проанализировали свет далёкого квазара — сверхяркого объекта, чьё излучение, проходя сквозь пространство, взаимодействовало с реликтовым фоном. Это взаимодействие оставило характерные следы в спектре, по которым и удалось вычислить температуру.

Результат оказался таким: 5,13 К ± 0,06 К, что примерно вдвое выше современной температуры космоса. Это полностью согласуется с предсказаниями теории Большого взрыва, согласно которой Вселенная должна постепенно остывать по мере расширения.

Сравнение температур Вселенной

Такое измерение впервые позволило "замкнуть" пропущенное звено между ранней и современной Вселенной, подтвердив, что процесс остывания идёт именно так, как предсказывала теория.

Почему это открытие важно

Измерение температуры реликтового излучения — не просто вопрос любопытства. Это один из фундаментальных тестов Стандартной модели космологии, которая описывает развитие Вселенной от момента Большого взрыва до наших дней. Согласно модели, плотность и температура космоса уменьшаются по мере расширения. Любое отклонение от этой закономерности могло бы указывать на наличие новой физики — например, на влияние неизвестных частиц или альтернативных форм энергии.

Работа японских исследователей показала, что температура действительно уменьшается пропорционально расширению пространства. Тем самым они подтвердили, что известные нам физические законы действовали и миллиарды лет назад.

Как учёные это сделали: пошагово

1. Выбор объекта наблюдения. Учёные нашли квазар, находящийся примерно в семи миллиардах световых лет от Земли.
2. Анализ спектра. Излучение квазара проходило через облака газа, взаимодействуя с микроволновым фоном.
3. Выделение сигнала. С помощью ALMA исследователи измерили слабые спектральные линии, вызванные этим взаимодействием.
4. Расчёт температуры. На основе интенсивности и формы линий вычислили температуру реликтового излучения.
5. Сравнение с теорией. Полученные данные оказались в полном согласии с моделью расширяющейся Вселенной.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: полагать, что температура космоса во времени не изменяется.
  Последствие: нарушение физической логики расширения Вселенной.
  Альтернатива: признавать, что космос постепенно остывает, а плотность энергии уменьшается.
• Ошибка: считать, что реликтовое излучение одинаково во всех точках.
  Последствие: игнорирование локальных флуктуаций, важных для формирования галактик.
  Альтернатива: учитывать неоднородности в космическом фоне, которые стали "зародышами" структуры Вселенной.
• Ошибка: ограничивать исследования только ближайшими эпохами.
  Последствие: пробел в понимании промежуточных стадий эволюции.
  Альтернатива: использовать далекие квазары как "временные машины" для изучения прошлого космоса.

А что если…

А что если со временем мы сможем измерить температуру космоса не только в прошлом, но и в будущем? Если Вселенная продолжит расширяться, то через триллионы лет её температура приблизится к абсолютному нулю. Всё вещество рассеется, звёзды погаснут, и останется лишь холодное море фотонов. Эти исследования позволяют заглянуть в то, каким будет наш космос в конце времён.

Плюсы и минусы метода ALMA

FAQ

Что такое реликтовое излучение?
Это остаточное электромагнитное излучение, оставшееся после Большого взрыва. Оно равномерно заполняет Вселенную и служит своеобразным "снимком" раннего космоса.

Почему температура прошлого была выше?
Потому что по мере расширения пространство растягивается, а энергия фотонов уменьшается. Следовательно, чем меньше была Вселенная, тем горячее она была.

Можно ли измерить температуру ещё более далёкой эпохи?
Да, но это требует сверхчувствительных инструментов. Пока такие измерения доступны только для очень ярких источников, например квазаров или галактик с активными ядрами.

Мифы и правда

• Миф: реликтовое излучение уже полностью изучено.
  Правда: современные технологии позволяют уточнять его параметры с всё большей точностью.
• Миф: температура Вселенной одинакова во всех направлениях.
  Правда: есть микроскопические колебания — они стали зародышами будущих галактик.
• Миф: ALMA предназначен только для наблюдений звёзд.
  Правда: его диапазон идеально подходит для измерений космического микроволнового фона.

3 интересных факта

1. Если бы реликтовое излучение было видимо глазу, всё небо светилось бы ровным красноватым светом.
2. Космос остывает примерно на 0,0000001 градуса в год.
3. Радиотелескоп ALMA расположен на высоте более 5000 метров над уровнем моря — это одно из самых высоких научных сооружений на Земле.

Исторический контекст

Реликтовое излучение было случайно открыто в 1965 году американскими физиками Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном, за что они получили Нобелевскую премию. С тех пор учёные уточняли его температуру всё точнее. Спутники COBE, WMAP и Planck подтвердили значение около 2,73 К для современного космоса. Работа японской группы заполнила важный пробел — промежуточную эпоху между ранней и нынешней Вселенной, показав, что теория Большого взрыва не просто гипотеза, а стройная, проверяемая модель.