Що таке реліктове випромінювання?

На знайомій овальній карті раннього Всесвіту червоні й сині плями ніби показують розпечені хмари та холодні провали. Насправді майже все це небо має однакову температуру. Чому ж карта така строката?

Реліктове випромінювання, або космічний мікрохвильовий фон (CMB), — давнє теплове світло, яке заповнює Всесвіт. Сьогодні його спектр відповідає температурі близько 2,725 K. Кольорові карти зазвичай підсилюють дуже малі відхилення від середнього, а не показують справжні видимі кольори. PDG: спектр і температурні неоднорідності, §§29.1–29.3.

Світло вже було, але далеко не проходило

У гарячому ранньому середовищі фотони існували задовго до прозорості. Вільні електрони часто розсіювали їх, змінюючи напрямок руху. Це нагадує світло у густому тумані: світло є, але пряма картина далеких об’єктів не проходить. Космічний «туман» складався не з водяних крапель, тому аналогія пояснює лише роль розсіювання.

Коли середовище охололо, ядра й електрони стали утворювати нейтральні атоми. Кількість вільних електронів різко зменшилася, і світло отримало змогу долати значно довші відстані без розсіювання. Основна епоха, від якої походить спостережуваний первинний CMB, відповідає приблизно 380 тисячам років у стандартній космологічній історії. Це тривалий перехід, а не одночасне клацання вимикача. ESA: раннє середовище й вихід світла, PDG: останнє розсіювання, §29.3.3.

Отже, CMB не варто пояснювати лише як нові фотони, що народилися в момент захоплення електронів атомами. Головна зміна — вже наявне теплове випромінювання перестало бути тісно зв’язаним із плазмою. Відтоді розширення Всесвіту збільшило довжини його хвиль і знизило температуру до мікрохвильового фону сьогодні.

Температуру спектра й плями на карті вимірюють по-різному

Один експеримент запитує: скільки випромінювання надходить на різних частотах? Прилад FIRAS на супутнику COBE порівнював сигнал неба з каліброваним тепловим еталоном. Виміряний спектр надзвичайно близький до спектра абсолютно чорного тіла — ідеального теплового випромінювача. Так ми отримуємо температуру, а не просто називаємо слабке світло «холодним». NASA/LAMBDA: як працював FIRAS.

Інше запитання: чи однакова температура в різних напрямках? Карти WMAP і Planck виявляють невеликі відмінності. Щоб їх побачити, віднімають середній фон, враховують сильний ефект нашого руху та відділяють випромінювання Галактики. Зокрема, пил і CMB мають різну залежність сигналу від частоти; спостереження на кількох частотах допомагають розділити компоненти. Це аналіз із шумом і похибками, а не просте фотографування кольорового неба. Planck: методи виділення компонентів.

Контраст зображення не нагріває небо

Уявімо три ділянки з довільно заданими відхиленнями −100, 0 і +100 мікрокельвінів від опорної температури 2,7255 K. Покажемо їх двома палітрами. У другому ряду кольори відрізняються сильніше, хоча числа ті самі.

Ті самі відхилення, різний колірний контраст

Слабкий контраст

−100 µK

0 µK

+100 µK

Посилений контраст

−100 µK

0 µK

+100 µK

Умовна ділянка 1

Відхилення ΔT: −100 µK
Повна температура: 2,7254 K

Умовна ділянка 2

Відхилення ΔT: 0 µK
Повна температура: 2,7255 K

Умовна ділянка 3

Відхилення ΔT: +100 µK
Повна температура: 2,7256 K

Три вигадані значення для пояснення палітри; це не карта Planck, не виміряні пікселі й не форма Всесвіту. В обох рядах той самий порядок: −100, 0, +100 мкК відносно T₀ = 2,7255 K. Числа незмінні. Колір кодує знак відхилення; площі ділянок умовні, не кутові розміри. 1 мкК = 0,000001 K.

Якщо посилити контраст і надрукувати карту ще яскравіше, фізична різниця температур не збільшиться. Саме тому легенда, одиниці й опис обробки потрібні не менше за сам малюнок. На опублікованій карті Planck тепліші й холодніші напрямки теж позначено умовними кольорами. Наша схема пояснює цей принцип і не відтворює спостережені пікселі. IPAC/Planck: що означають кольори карти.

Відгалуження · Числовий прикладНеобов’язково · можна пропустити

Наскільки мало — 100 мікрокельвінів?

Мікрокельвін — мільйонна частка кельвіна. Для умовного відхилення нашої схеми

$100\ \mu\mathrm K=10^{-4}\ \mathrm K.$

Нехай $T_0=2{,}7255\ \mathrm K$ — опорне середнє. Тоді відносне відхилення

\begin{aligned} \frac{|\Delta T|}{T_0}&=\frac{0{,}0001}{2{,}7255}\\ &\approx3{,}7\times10^{-5}. \end{aligned}

Це приблизно 0,0037%. Повні температури ділянок становлять 2,7254; 2,7255; 2,7256 K. Вони всі близькі, хоча палітра навмисно робить відмінності помітними. Зразок ±100 мкК не є межею всіх реальних плям, точністю приладу або похибкою середньої температури. PDG: окремо середній рівень, диполь і малі неоднорідності.

Що ми читаємо в цьому давньому світлі?

Плями пов’язані з ранніми збуреннями речовини й випромінювання. Але правило «червона пляма — просто більше речовини саме тут» надто грубе. Спостережувана температура поєднує власні температурні відмінності, рух середовища й гравітаційний вплив на світло. Пізніші структури також змінюють шлях фотонів, зокрема гравітаційним лінзуванням. PDG: фізика температурних відмінностей і лінзування, §§29.5.1–29.5.4.

Космологи порівнюють характерні кутові розміри й взаємні зв’язки цих відмінностей, а також поляризацію, з розрахунками моделей. Так обмежують склад і геометрію Всесвіту. Це не прямий знімок частинок темної матерії й не доказ усіх припущень моделі поодинці.

Вислів «найдавніше світло» стосується нашого електромагнітного погляду на ранню прозору епоху. Це не фотографія нульового моменту. Частина фотонів пізніше знову розсіювалася; не кожен сигнал неба пройшов незмінним шляхом. Раніші епохи досліджують також за непрямими слідами, а не звичайною фотографією крізь непрозору плазму.

Тож на строкатій карті варто спочатку читати легенду: що віднято, у яких одиницях показані залишки й як обрано кольори. А астрономія невидимого світла пояснює, чому прилад може побачити те, чого не бачить око.