Космический телескоп Нэнси Грейс Роман (Nancy Grace Roman Space Telescope, Roman Space Telescope или RST) обнаружит остатки звуковых волн, которые когда-то колебались в изначальном космическом море. Согласно новому моделированию, наблюдения Роман могут расширить эти измерения до неизученной эпохи между зарождением Вселенной и сегодняшним днем. Изучение отголосков этой эпохи поможет нам проследить эволюцию Вселенной и решить насущные космические головоломки.
Звуковые волны зарождающейся Вселенной, называемые барионными акустическими колебаниями (БАК, англ. BAO), оставили свой отпечаток в космосе, влияя на распределение галактик. Ученые исследовали отпечаток, который отражает времена, когда Вселенной было три миллиарда лет, или примерно 20% от ее нынешнего возраста в 13,8 миллиардов лет – той же эпохи, для изучения которой оптимизированы исследования БАК телескопа RST. Теперь группа ученых продемонстрировала, что миссия может заглянуть еще дальше в прошлое, чтобы изучить следы, оставленные БАК.
«Это не то, что вы можете изучать в лаборатории, поэтому мы создали имитацию вселенных и провели симуляции, – сказал Сиддхарт Сатпати, руководивший исследованием. Сейчас он инженер по машинному обучению в Cisco в Сан-Франциско, он провел это исследование, когда получил докторскую степень по вычислительной астрофизике в Университете Карнеги-Меллона в Питтсбурге. «Мы были взволнованы, обнаружив, что Роман будет достаточно могущественным, чтобы изучать остатки БАК в юности Вселенной», – добавил он.
Выводы команды были опубликованы 11 сентября в ежемесячном бюллетене Королевского астрономического общества.
Эта анимация объясняет, как БАК возникли в ранней Вселенной и как астрономы могут изучить слабый отпечаток, который они оставили на распределение галактик, чтобы исследовать влияние темной энергии с течением времени. Вначале космос был заполнен горячей плотной жидкостью, называемой плазмой. Небольшие колебания плотности возбуждали звуковые волны, которые текли по жидкости. Когда Вселенной было около 300 тысяч лет, волны замерзли на месте. Вдоль ряби образовалось чуть больше галактик. Эта замороженная рябь растягивалась по мере расширения Вселенной, увеличивая расстояние между галактиками. Астрономы могут изучить это предпочтительное расстояние между галактиками разного космического возраста, чтобы понять историю расширения Вселенной.
Горячий плазменный суп
На протяжении большей части своих первых полумиллиона лет Вселенная выглядела совершенно иначе, чем сегодня. Вместо того, чтобы быть усыпанным звездами и галактиками, космос был заполнен морем плазмы – заряженных частиц, которые образовывали плотную, почти однородную жидкость.
Были крошечные колебания примерно в одну часть на 100 тысяч. Те немногие вариации, которые были там, приняли форму немного более плотных ядер вещества. Поскольку сгустки имели большую массу, их сила тяжести привлекала дополнительный материал.
Было так жарко, что частицы не могли слипаться при столкновении – они просто отскакивали друг от друга. Чередование силы тяжести и этого отталкивающего эффекта создавало волны давления – звука – которые распространялись через плазму.
Со временем Вселенная остыла, и частицы объединились, образуя нейтральные атомы. Поскольку частицы перестали отталкивать друг друга, прекратились волны. Однако их следы все еще остаются в космосе.
Замороженное эхо
Когда атомы сформировались, рябь по существу застыла на месте, неся в себе немного больше вещества, чем в среднем по Вселенной. Когда отталкивающее давление плазмы исчезло, гравитация стала доминирующей силой.
В течение сотен миллионов лет сгустки плазмы, когда-то заполнявшей Вселенную, поглощали больше материала, превращаясь в звезды. Их взаимная гравитация сплотила звезды в группы, в конечном итоге сформировав галактики, которые мы видим сегодня. Вдоль ряби образовалось чуть больше галактик, чем где-либо еще.
Хотя волны больше не распространялись, замороженная рябь растягивалась по мере расширения Вселенной, увеличивая расстояние между галактиками. Глядя на то, как галактики распределяются в разные космические эпохи, мы можем исследовать, как Вселенная расширялась с течением времени.
«БАК оставили свой след в космосе, но мы еще не полностью исследовали их следы, – сказал соавтор Руперт Крофт, профессор физики в Университете Карнеги-Меллона. – Изучая отпечатки БАК в неизученной области, мы можем раскопать космические окаменелости, которые позволят нам найти новую информацию о силах, сформировавших Вселенную».
Ученые заметили закономерность в том, как галактики группируются вместе, по результатам измерений в соседней Вселенной. Для любой галактики сегодня у нас больше шансов найти другую галактику на расстоянии около 500 миллионов световых лет, чем немного ближе или дальше. Но если смотреть дальше в космос, к более ранним космическим временам, это означает, что это расстояние – остатки замороженной ряби БАК – уменьшится.
Роман расширит предыдущие исследования, составив карту расширения Вселенной до беспрецедентных деталей. Сатпати и его команда показали, что исследования Романа смогут изучить остатки БАК в пять раз дальше, чем планировалось изначально, когда Вселенной было всего около 600 миллионов лет – всего 4% от ее нынешнего возраста.
Узнав больше о том, как космос расширился с течением времени, ученые смогут исследовать темную энергию – таинственное давление, ускоряющее расширение Вселенной. RST оптимизирован для изучения космоса для получения впечатлений от БАК в середине своего нынешнего возраста, потому что именно тогда ученые считают, что темная энергия перешла из второстепенной составляющей в содержимом Вселенной в самую доминирующую силу.
Но некоторые теории предполагают вспышку активности темной энергии, когда Вселенная была намного моложе. Заглянув дальше в прошлое Вселенной, можно добавить кусочки в головоломку.
«Мы не изучали детально отпечатки БАК с тех пор, когда Вселенная была очень молодой, потому что для этого нам нужна огромная выборка галактик, – отметил Джейсон Роудс, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния. – Вот тут-то и приходит на помощь Роман. У миссии такое широкое поле зрения, что подобные наблюдения станут возможными».
Спектроскопический обзор высоких широт, созданный телескопом RST, позволит точно измерить расстояния и положения миллионов галактик. Ученые планируют проанализировать, как их распределение зависит от расстояния, создав трехмерную карту Вселенной, которая поможет нам расшифровать, как темная энергия формировала космос с течением времени.
Два дополнительных обследований также будут изучать темную энергию, и каждый метод перекрестно проверит другие. Миссия предоставит важные данные, которые помогут ученым исследовать и, возможно, даже предвидеть судьбу Вселенной.
Широкодиапазонная инфракрасная обсерватория
Nancy Grace Roman Space Telescope (первоначальный вариант названия — Wide Field Infrared Survey Telescope) — широкодиапазонная инфракрасная обсерватория, шестая «великая» обсерватория НАСА, которая была рекомендована в 2010 году Десятилетним опросным комитетом Национального исследовательского совета США в качестве главного приоритета на следующее десятилетие в астрономии. 17 февраля 2016 года WFIRST был официально назначен миссией NASA. В мае 2020 года был назван в честь Нэнси Роман, одной из первых женщин-руководителей в НАСА.
Обсерватория RST должна стать идеологическим наследником и заменой для сразу трех миссий — Хаббла, инфракрасного телескопа WISE и строящейся обсерватории «Джеймс Уэбб». Роман должен получить первые прямые фотографии экзопланет, раскрыть сущность темной энергии и понять, как распределена материя по Вселенной.
Космический телескоп Нэнси Грейс Роман управляется в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, при участии Лаборатории реактивного движения НАСА и Калифорнийского технологического института / IPAC в Пасадене, Научного института космического телескопа в Балтиморе и научной группы, состоящей из ученых, работающих в различных исследовательских учреждениях.
