Последние результаты измерений космического микроволнового фона

Вселенная была создана около 13,8 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва. Примерно 380000 лет спустя, после того как материя (в основном водород) остыла настолько, что образовались нейтральные атомы, свет смог свободно перемещаться в космосе. Этот свет, космическое микроволновое фоновое излучение (CMB), равномерно приходит к нам со всех сторон неба … или так сначала казалось. В последние десятилетия астрономы обнаружили, что излучение имеет слабую рябь и выпуклости на уровне яркости всего в одно-стотысячную долю — семена будущих структур, таких как галактики.

Астрономы предположили, что эта рябь также содержит следы первоначального всплеска расширения — так называемой инфляции, — которая увеличила новую Вселенную на тридцать три порядка величины всего за 10^-33 секунды. Ключ к разгадке инфляции должен слабо присутствовать в том, как изгибается космическая рябь, — эффект из-за гравитационных волн в космическом младенчестве, который, как ожидается, будет, возможно, в сто раз или более слабее, чем сама рябь.

Эффект изгиба создает в свете узоры, известные как «поляризация B-моды», и ожидается, что он будет очень слабым. Во Вселенной действуют и другие экзотические процессы, которые усложняют это и без того очень сложное измерение.

Главный из них — слабое свечение частиц пыли в нашей галактике, выровненных магнитными полями. Этот свет также поляризован и может скручиваться магнитными полями, создавая поляризационные структуры B-моды. Радиоволны из нашей галактики могут производить аналогичные эффекты. Около шести лет назад астрономы CfA, работающие на Южном полюсе, сообщили о первых доказательствах такого скручивания, «поляризации в B-моде», на уровнях, согласующихся с простыми моделями инфляции, но последующие измерения на разных частотах (или цветах) микроволнового света показали, что сигнал можно объяснить галактической пылью.

За годы, прошедшие после тех первых измерений поляризации в B-моде, астрономы продолжили свои тщательные наблюдения, добавляя данные с новых телескопов на многих  частотах, работающих на Южном полюсе. Теперь ученые только что завершили анализ всех данных экспериментов на Южном полюсе BICEP2, Keck Array и BICEP3 до 2018 года и сопоставили результаты с результатами космических миссий CMB Planck и WMAP. (Хотя сбор данных для этих миссий закончился в 2013 и 2010 годах, соответственно, обработка данных продолжается, и ученые использовали версию 2018 года.)

Новые результаты улучшают предыдущие лучшие ограничения примерно в два раза и теперь дают действенное руководство о типах моделей инфляции, которые могли бы описать самые ранние моменты существования Вселенной.

Широкий класс простых моделей в настоящее время практически исключен. Астрономы сообщают, что наиболее популярные из оставшегося класса моделей предсказывают первичные гравитационные волны на уровнях, которые должны быть обнаружены (или исключены) в течение следующего десятилетия с помощью модернизированных телескопов на Южном полюсе.

Команда исследователей уже находится в процессе обновления системы BICEP и ожидает получить еще один фактор в виде примерно трех улучшений в течение пяти лет, что достаточно, чтобы установить жесткие ограничения для инфляционных моделей.

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.