Астрономы измерили температуру Вселенной через 880 миллионов лет после Большого взрыва. Эти анализы стали возможны благодаря наличию далекого водяного облака, которое смогло поглотить часть света от космического микроволнового фона около 12,9 миллиарда лет назад.
Около 13,8 миллиарда лет назад Вселенная была заполнена бурлящей плазмой излучения и элементарных частиц. Уже тогда космос расширялся, его плотность быстро уменьшалась со временем. Согласно законам термодинамики, такое снижение плотности привело к снижению температуры. Тепловое излучение также охлаждалось, поскольку фотоны, проходящие через плазму, становились все менее и менее энергичными.
Через несколько сотен тысяч лет плазма достаточно охладилась, чтобы атомы могли образоваться без систематического удаления их электронов (ионизация). Через 380 000 лет почти все атомные ядра (в основном водорода) объединились с электронами, образовав электрически нейтральные атомы. С этого момента оставшееся тепловое излучение могло беспрепятственно распространяться в пространстве. В этот момент некогда темная вселенная стала светлой.
Сегодня астрономы могут увидеть и измерить этот свет в конце горячей фазы Большого взрыва. Этот вид анализа дает ценную информацию о ранней Вселенной.
С момента появления космического реликтового излучения до сегодняшнего дня Вселенная расширилась примерно в 1100 раз. Реликтовое излучение, которое первоначально имело температуру около 3000 Кельвинов, также охладилось. Сегодня оно достигает Земли в основном в виде низкоэнергетического микроволнового излучения.
Эта связь между расширением нашей Вселенной и температурой реликтового излучения означает, что с течением времени космическое фоновое излучение несет информацию. Если бы мы могли измерить температуру реликтового излучения в разные моменты космической истории, то мы могли бы собрать воедино то, как Вселенная расширялась с течением времени. Эта хронология важна, поскольку она напрямую связана с одной из величайших неизвестных современной космологии — темной энергией. Напомним, что это сила, противоположная гравитации, которая отвечает за ускорение расширения Вселенной.
Тогда прямое измерение температуры могло бы показать, действительно ли существует эта прямая связь между расширением нашей Вселенной и охлаждением реликтового излучения. Сравнение с другим показателем космического расширения может также исключить некоторые более экзотические предположения о природе темной энергии. Однако измерение температуры реликтового излучения в разные периоды космической истории — немалый подвиг.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, астрономы смогли вернуться на 13 миллиардов лет назад. Это стало возможным благодаря наличию облака холодной воды в далекой галактике, наблюдавшейся примерно 880 миллионов лет назад. Все наблюдения проводились с помощью массива телескопов IRAM NOEMA во Французских Альпах. Это обсерватория, способная вести наблюдения в миллиметровом диапазоне длин волн, что идеально подходит для определения таких сигналов.
Здесь реликтовое излучение действовало как источник света, который, с точки зрения наблюдателей, находился за облаком, которое было холоднее, чем космическое фоновое излучение. Анализируя взаимодействие легких частиц с молекулами воды, исследователи смогли сделать вывод, что реликтовое излучение в то время должно было иметь температуру от 16,4 до 30,2 Кельвина (от -256,75 °C до -242,95 °C).
Важно отметить, что такая температура согласуется с температурой в 20 Кельвинов, предсказанной для этой эпохи современными космологическими моделями. Благодаря этому результату можно исключить экзотические модели, предсказывающие отсутствие связи между температурой и скоростью расширения.
Теперь исследовательская группа надеется использовать ту же методику для определения температуры Вселенной в разные периоды ее истории.