Згідно з сучасними космологічними моделями, Всесвіт почався з Великого Вибуху приблизно 13,8 мільярдів років тому.

На початку існування Всесвіт мав вигляд непрозорої хмари гарячої плазми, що перешкоджає утворенню атомів. Приблизно через 380 000 років він охолодився до температури 3000 градусів за шкалою Кельвіна, що спричинило перетворення великої частини енергії, вивільненої Великим Вибухом, у випромінювання. Його тепер астрономи спостерігають як космічне мікрохвильове фонове випромінювання (Cosmic Microwave Background, CMB). Уперше це «реліктове» випромінювання зареєстрували в 1960-х роках.

Однією з особливостей CMB, що привернула увагу науковців, є крихітні коливання температури, які могли б дати інформацію про ранній Всесвіт. Зокрема, в CMB є досить велика холодна пляма (CMB Cold Spot), тобто холодніша, ніж навколишнє космічне мікрохвильове фонове випромінювання. Після десятиліть вивчення коливань температури цього випромінювання, група дослідників нещодавно підтвердила існування найбільших холодних плям у CMB — надвойда Ерідана (Eridanus Supervoid). Ця структура, можливо, пов’язана з холодною плямою в космічному мікрохвильовому фоновому випромінюванні.

Дослідження виконала міжнародна група науковців, до складу якої входило 300 вчених з 25 установ з семи країнах світу, в рамках виконання проєкту «Огляд темної енергії» (Dark Energy Survey, DES. На чолі групи був Андраш Ковач (András Kovacs), астрофізик з Інституту астрофізики Канарських островів (Instituto de Astrofísica de Canarias, IAC) та Університету Ла-Лагуна на острові Тенеріфе в Іспанії. Результати їхнього дослідження під назвою «The DES view of the Eridanus supervoid and the CMB cold spot» («Погляд DES на надпорожнечу в Ерідані й холодна пляма CMB») оприлюднив журнал Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства) 17 грудня 2021 року.

Чому так холодно?

З часу відкриття космічного мікрохвильового фонового випромінювання виконано кілька місій для його більш докладного вивчення. Зокрема це радянська місія РЕЛІКТ-1 на борту супутника «Прогноз 9» (стартував у липні 1983 року) і місія NASA Cosmic Background Explorer (COBE). Результати місії COBE були опубліковані в 1992 році — тоді виявили акустичні коливання в плазмі (перший «акустичний пік»), які відповідають великомасштабним змінам щільності в ранньому Всесвіті, створеним гравітаційною нестійкістю.

Другий акустичний пік не було виявлено впевнено, доки в 2001 році не розпочав спостереження космічний зонд Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). До завершення місії в 2010 році вдалося виявити і третій пік. Відтоді в рамках виконання кількох інших місій астрономи спостерігали CMB, щоб посилити обмеження на перепади температур і дрібні коливання щільності. Найпомітнішою з них є місія космічного апарата «Планк» (Planck, 2009—2013) Європейського космічного агентства, яка отримала найдокладніші натепер мапи розподілу температури CMB.

На жаль, ці мапи не дали змоги розгадати таємницю холодної плями CMB, великої ділянки, яка трохи холодніша (70 мкК або 0,00007 Кельвіна), ніж космічний фон (його температура становить приблизно 2,7 К, або -270 °C чи -455 °F). Таким чином, таємниця цієї аномалії породила всілякі пояснення, починаючи від артефакту в даних (artifact in the data) і закінчуючи можливим існуванням паралельного Всесвіту (parallel Universe), який наштовхується на наш!

Надпорожнеча в Ерідані

Космічні порожнечі є складовими величезних ділянок космосу, які лежать між галактиками і скупченнями галактик, що (разом з темною матерією) утворюють великомасштабну структуру Всесвіту. Для таких порожнеч характерним є відносно менша кількість в них «звичайної матерії», як-от галактик чи пилу та газу — міжгалактичного середовища (intergalactic medium, IGM) — і темної матерії, ніж те, що астрономи спостерігають в скупченнях галактик. Попри те, що ці структури утримуються разом силою взаємного тяжіння (гравітації), вони також розширюються через досі не виявлену, але теоретично передбачену, силу (темна енергія).

Холодна пляма лежить у напрямку сузір'я Ерідана (південна півкуля в галактичній системі координат). На вставці показана мапа розподілу температури космічного мікрохвильового фонового випромінювання в цій ділянці неба, створена за результатами роботи космічного апарата «Планк» (Planck) Європейського космічного агентства. На головному малюнку зображена мапа розподілу темної матерії, створена науковцями з проєкту «Огляд темної енергії» (Dark Energy Survey, DES). Фото з сайту www.universetoday.com.

У надпорожнечі Ерідана, що лежить від нас на відстані 1,8 мільярда світлових років у напрямку сузір’я Ерідана, згідно з теоретичними оцінками концентрація матерії на 30% менша, ніж в навколишньому галактичному регіоні. Центр цієї порожнечі розташований на відстані 2 мільярдів світлових років від Землі, що робить її визначальною ділянкою з низькою щільністю в околі нашої галактики. На підставі даних, отриманих проєктом Dark Energy Survey, наукова група створила мапу темної матерії (Dark Matter, DM) у тому ж напрямку, що й холодна пляма CMB.

Ця темна матерія — її маса — послужила науковцям як гравітаційна лінза. Адже відомо, що сильна гравітація масивного об’єкта посилює та змінює шлях світла, що йде з позаду нього. Співавтор дослідження Найлл Джеффрі (Niall Jeffrey), астрофізик із Паризького університету та Університетського коледжу Лондона, допоміг побудувати мапу DM. «Ця мапа темної матерії є найбільшою, яка коли-небудь була створена», — сказав він у прес-релізі Національної прискорювальної лабораторії імені Енріко Фермі (Fermilab). «Ми змогли скласти мапу темної матерії на чверть південної півкулі».

У поєднанні з попередніми спостереженнями за низькою щільністю галактик у цьому регіоні, нові мапи також підтвердили недостатню щільність темної матерії в тій же ділянці. Це фактично підтверджує наявність надпорожнечі в сузір’ї Ерідана, що відповідає теоретичним передбаченням. Ця порожнеча може бути наслідком холодної плями CMB. Ба більше, можливо, спостереження цих утворень дасть змогу отримати нову інформацію про еволюцію Всесвіту в минулому, а також про те, яким є їхній вплив на космічну еволюцію нині.

Наслідки для темної енергії

Це дослідження також має велике значення, коли ідеться про іншу нерозгадану таємницю, що стосується існування та природи темної енергії. Ця таємнича сила протидіє гравітації і відповідає за прискорене розширення Всесвіту. Передбачене загальною теорією відносності Айнштайна, розширення космосу вперше довів зі спостережень Едвін Габбл (на його честь названо відомий космічний телескоп) у 1920-х роках.

З метою дослідження темної енергії науковці виконували спостереження за допомогою телескопа імені Віктора Бланко в Андах (Чилі). На підставі спостережних даних вони створили мапу розподілу темної матерії в ділянці неба, яка містить надпорожнечу Ерідана і холодну пляму CMB. Фото з сайту www.universetoday.com.

До 1990-х років таємниця поглибилася, оскільки дослідження, схожі на глибокі поля Габбла, показали, що Всесвіт розширюється прискорено протягом останніх 3 мільярдів років. Це спричинило появу уявлень про те, що існує чинник, відповідальний за це розширення. Можливо, це якась досі не відкрита сила, або ж причина в тому, що реальністю в нашому світі є гравітація, яку не описує загальна теорія відносності. Виконуючи широкомасштабні дослідження Всесвіту, такі наукові колективи, як DES, сподіваються прямо побачити вплив темної енергії і таким чином виміряти її властивості.

Наявність космічних порожнеч між галактичними скупченнями вказує на те, що це постійне перетягування каната між гравітаційними силами та простором призводить до того, що деякі порожнечі стають глибшими. Співавтор дослідження Ґарсія-Беллідо (Garcia-Bellido), космолог з Інституту теоретичної фізики в Мадриді, сказав:

«Фотони або частинки світла входять у порожнечу до того, як порожнеча стане більшою, і залишають її після того, як порожнеча стала більшою. Цей процес означає, що в цій подорожі відбувається чиста втрата енергії; це називається інтегральним ефектом Сакса — Вольфа. Коли фотони потрапляють в потенціальну яму, вони набирають енергію, а коли виходять з потенціальної ями, втрачають енергію. Це ефект гравітаційного червоного зміщення».

Лямбда-CMB

Однак це дослідження не усуває загальну невідповідність між стандартною космологічною моделлю та спостережуваними змінами температури на холодній плямі CMB. Ця модель відома як модель лямбда-холодної темної матерії (Lambda Cold Dark Matter, LCDM), яка передбачає, що носієм темної матерії є великі, малорухомі («холодні») частинки. Ними «керує» сила розширення (темна енергія), яку характеризує параметр L.

Діаграма, що показує розвиток Всесвіту від Великого Вибуху до нинішньої ери згідно з космологічною моделлю Lambda-CBR. Фото з сайту www.universetoday.com.

Коротко кажучи, результати дослідження підтверджують існування надпорожнечі Ерідана, але не можуть остаточно пов’язати холодну пляму з впливом надпорожнечі на фотони космічного мікрохвильового фонового випромінювання. Ковач підсумував це так:

«Наявності збігу цих двох окремо рідкісних структур у космічній мережі та в CMB ще недостатньо, щоб довести строго науково причинно-наслідковий зв’язок між ними. Є тільки новий “штрих” в довгій історії проблеми “Холодна пляма в космічному мікрохвильовому фоновому випромінюванні” — тепер люди принаймні будуть впевнені, що існує надпорожнеча. І це добре, бо деякі науковці досі сумніваються в її існуванні. Проблема в тому, що типові альтернативні космологічні моделі також не можуть пояснити цю невідповідність, тому, якщо це справді так, це може означати, що ми не розуміємо чогось дуже глибокого в темній енергії».

Це може стати найбільшим надбанням виконаного дослідження, адже його результати мають допомогти науковцям у підготовці майбутніх досліджень. Якщо модель Lambda-CDM правильна, то холодна пляма CMB може бути надзвичайною аномалією, перед якою випадково є масивна надпорожнеча. Якщо це не так, то міра червоного зміщення фотонів CMB, спричинена надпорожнечами, — також відома як інтегрований ефект Сакса-Вольфа (ISW) — сильніша, ніж очікувалося. Щоб останній сценарій був правдивим, у щільності енергії Всесвіту має домінувати щось інше, ніж «звичайна матерія».

Це один із центральних стовпів LCDM та найприйнятніших теорій темної матерії і темної енергії. Згідно з ними на темну матерію припадає 85% всієї матерії у Всесвіті, тоді як темна енергія складає 72% від загальної густини маси й енергії. На жаль, ця таємниця вимагатиме майбутніх досліджень і оглядів зоряного неба, перш ніж вчені зможуть впевнено сказати, який сценарій є правдивим. На їхнє щастя, є кілька обсерваторій, які будуть виконувати такі дослідження найближчим часом.

До таких належать космічний телескоп Джеймса Вебба NASA, космічний телескоп Ненсі Грейс Роман (Nancy Grace Roman Space Telescope) та обсерваторії Європейського космічного агентства «Евклід» (Euclid) та Аріель (Аriel). Завдяки цим та іншим витонченим інструментам, які зможуть заглянути глибше в космос (і далі в минуле), таємниця «Темного Всесвіту» («Dark Universe») не довго буде загадкою.

За інф. з сайту www.universetoday.com