Барионные акустические осцилляции

Космический микроволновый фон, самый старый свет в нашей Вселенной (Credit: NASA, ESA, and the Planck Collaboration)
Барионные акустические осцилляции (БАО) - пульсации в плазме ранней Вселенной - служат «стандартной линейкой» для отслеживания истории ее расширения. В космосе никто не услышит вашего крика. Но у космологов есть способ «услышать» звук Вселенной. С помощью звуковых волн, математически восстановленных по флуктуациям плотности первородной плазмы, возникшей после Большого взрыва, они могут рассказать интересную историю о самых ранних днях Вселенной.
Звук - это волна давления. Стереодинамики пульсируют, создавая чередующиеся области повышенного и пониженного давления воздуха, и эта волна давления воздуха вибрирует в наших барабанных перепонках, что наш мозг интерпретирует как музыку, речь или шум. Но в вакууме космоса нет воздуха (или любого другого вещества), которое могло бы претерпевать изменения давления, поэтому там нет звука.
Большой взрыв, первозданная плазма и темная материя
Так было не всегда. Почти 14 миллиардов лет назад, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была заполнена первобытной плазмой. Этот ионизированный газ, состоящий из положительно заряженных протонов, легких ядер (с разным положительным зарядом), отрицательно заряженных электронов и нейтральных фотонов, светился, медленно остывая в течение первых нескольких сотен тысячелетий существования Вселенной. Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва эта плазма, наконец, остыла настолько, что превратилась в горячий нейтральный газ, сделав Вселенную прозрачной и выпустив свет, свободно распространяющийся по космосу, который теперь можно обнаружить в виде космического микроволнового фонового излучения.
В течение тех сотен тысяч лет, когда Вселенная была заполнена расплывчатой, яркой плазмой, в космосе раздавался своеобразный звук. Это происходило потому, что плазма не была абсолютно однородной, а также потому, что в то время она была не единственным явлением во Вселенной.
Благодаря крошечным квантовым флуктуациям, оставшимся со времен Большого взрыва, плазма была немного плотнее в одних областях и менее плотной в других. Эти различия были невелики - всего одна часть на сто тысяч, - но они имели значение. И они были не только в плазме. Теории предполагают, что эти крошечные различия присутствуют и в темной материи, которая, как считается, составляет около 80 % материи во Вселенной, влияя на формирование крупномасштабных структур.
Согласно современным представлениям, темная материя прозрачна, не взаимодействует со светом или любой другой формой электромагнетизма и может проходить сквозь обычную материю - но взаимодействует с обычной материей посредством гравитации. Ее масса притягивает другую массу, подобно планетам, звездам и привычным объектам нашего мира.
Космический колокол: Звуковые волны в космосе
Точно так же обстояли дела в эпоху первобытной плазмы. Гравитация действовала на небольшие различия в плотности, как в темной материи, так и в самой плазме. Более плотные участки темной материи становились плотнее, поскольку остальная часть темной материи медленно опускалась к ним. Поскольку большая часть существующей материи, как тогда, так и сейчас, была темной материей, плазма следовала за ней, втягиваемая гравитацией.
Эта плазма обладала внутренним давлением, как горячий газ. И как в газе, давление и температура плазмы росли вместе с ее плотностью по мере того, как все больше плазмы попадало в сверхплотные области ранней Вселенной. Давление плазмы росло до тех пор, пока она не преодолела гравитационное притяжение, вытолкнув часть ее обратно из сверхплотных областей. Но как только это произошло, давление снова упало, позволив еще большему количеству плазмы упасть обратно, что увеличило давление, вытолкнув плазму наружу, и цикл начался заново.
Этот цикл был медленным, потому что плотность была очень низкой, а расстояния - огромными. Но за сотни тысяч лет этот цикл втягивания и выталкивания привел к появлению пузырьков с повышенным давлением плазмы - звуковых волн в космосе. Области с повышенной плотностью плазмы звенели, как космический колокол. Эти звуковые волны образовали сферы вокруг сверхплотных областей первозданной Вселенной, подобно волнам, расходящимся от камня, брошенного в пруд.
Барионные акустические осцилляции: Колебания в первобытной плазме
Большая часть массы плазмы приходилась на протоны и нейтроны, которые почти в 2 000 раз массивнее электрона. Протоны и нейтроны относятся к классу частиц, известных как барионы, название которых происходит от греческого «тяжелый». Таким образом, вещество в плазме - обычная материя, которая впоследствии образовала атомы и привычный видимый мир вокруг нас - называется барионной материей. А рябь в космическом пруду плазмы в ранней Вселенной называется барионными акустическими колебаниями, или БАО.

Иллюстрация барионных акустических осцилляций среди распределения галактик (Credit: Gabriela Secara/Perimeter Institute)
БАО напоминали кольца, расходящиеся от горсти камешков, брошенных в пруд, - космическую какофонию накладывающихся друг на друга и интерферирующих волн. Но через 380 000 лет после Большого взрыва поверхность пруда замерзла: плазма остыла, превратившись в нейтральный газ, и ее внутреннее давление резко упало, поскольку освободились фотоны, запертые внутри. Когда это произошло, беспорядочная рябь застыла на месте, а ее наблюдаемый отпечаток появился только в результате расширения Вселенной.
По мере развития Вселенной гравитация продолжала перетягивать материю из менее плотных областей в более плотные. Некоторые из этих более плотных областей были замороженными рябью, оставленной БАО. В течение последующих миллиардов лет материя Вселенной медленно сжималась, накапливаясь и уплотняясь в более плотных областях, образуя галактики, звезды и планеты (а также людей!), которые мы видим вокруг себя сегодня.
Исследование галактик и влияние барионных акустических осцилляций
Удивительно, но даже спустя миллиарды лет космологи все еще могут обнаружить БАО. Хотя первоначальная рябь представляла собой беспорядочные волны, а прошедшие эоны еще больше исказили этот беспорядок, при разумном использовании космической статистики сигнал все еще можно обнаружить.
У БАО был характерный размер - главный фронт пульсаций находился на определенном фиксированном расстоянии от центра породивших их первобытных сверхплотностей. Эти изначальные сверхплотности породили галактики. Но и БАО способствовали этому: эти пульсации были, в конечном счете, оболочками сверхплотного материала в ранней Вселенной, и поэтому есть звезды и галактики, которые образовались благодаря самим БАО.
Таким образом, галактики не только формировались в местах первоначальной сверхплотности, но и предпочтительно образовывались на характерном для БАО расстоянии. Это позволяет измерить расстояние БАО в современной Вселенной.
Для начала создайте огромную карту галактик - то, что космологи называют исследованием галактик. Используя данные исследования галактик, постройте график вероятности нахождения галактик на разных расстояниях друг от друга. Если вы смотрите на одну галактику, какова вероятность того, что в миллионе световых лет от нее есть другая? Десять миллионов? Сто миллионов?
График этой вероятности покажет довольно плавную кривую, падающую по мере увеличения расстояния, но с небольшим бугорком на расстоянии около 500 миллионов световых лет - это отпечаток БАО, застывший в расположении галактик во всей Вселенной. Именно это и обнаружили космологи в 2005 году после изучения сотен тысяч галактик в рамках Слоановского цифрового исследования неба и Two-Degree Field Galaxy Redshift Survey.


В рамках Слоановского цифрового исследования неба (SDSS) была создана трехмерная карта распределения галактик, в центре которой находится Земля, а каждая точка представляет собой галактику, содержащую, как правило, около 100 миллиардов звезд. (Credit: M. Blanton/SDSS)
Отслеживание истории расширения Вселенной
Космологи отправились на поиски этого всплеска, потому что знали, что он должен быть там, а также потому, что знали, что он может многое рассказать о Вселенной. Одна из самых сложных проблем в космологии - определить, насколько далеко находятся объекты в небе, особенно если они удалены на миллионы или миллиарды световых лет. Измерение расстояний позволяет космологам определить, насколько быстро расширялась Вселенная в разные периоды ее истории. Эта история является одним из важнейших фактов о составе и структуре Вселенной, а также многое говорит о ее происхождении и судьбе.
Для получения таких измерений расстояния необходим некий стандартизированный объект с фиксированными свойствами, который можно видеть на больших расстояниях, например определенный тип звезды или сверхновой: поскольку у него известная собственная яркость, космологи могут сравнить его кажущуюся яркость отсюда, с Земли, с его истинной яркостью, чтобы вычислить расстояние до объекта. Это как увидеть уличный фонарь издалека темной ночью: вы знаете, что он далеко, потому что знаете, насколько яркими обычно бывают уличные фонари, и поэтому яркость фонаря говорит вам о расстоянии до него. Такие объекты называются «стандартными свечами», и большая часть истории космологии - это поиск новых видов стандартных свечей и новых способов использования существующих.
БАО предлагает дополнительный инструмент - объект не фиксированной яркости, а фиксированного размера, который функционирует как своего рода «стандартная линейка». Вместо далекого уличного фонаря БАО можно сравнить с далеким человеком: вы знаете, насколько велики люди, и это означает, что вы можете определить, как далеко находится далекий человек, сравнив его кажущийся размер с его истинным размером.
Отслеживая «бугорок» БАО на протяжении всей истории Вселенной, можно использовать крупномасштабную структуру самого космоса - галактики и скопления галактик - для того, чтобы проследить историю расширения Вселенной. По мере того как за последние несколько десятилетий проводились все более масштабные исследования галактик, космологи с помощью БАО получили все более точный портрет Вселенной, используя замороженный звук начала времен, запечатленный в самых глубинах неба.
Адам Беккер - научный журналист, доктор философии в области астрофизики. Он писал для The New York Times, BBC, NPR, Scientific American, New Scientist, Quanta и других изданий. Автор двух книг: «Что есть реальность?» и готовящейся к выходу книги «Больше всего на свете». Он живет в Калифорнии.
141
2025.01.26 17:10:49