Да се види раждането на Вселената ни пречи стена от светлина. Как можем да погледнем отвъд нея? Учените имат идея
Да забележим раждането на Вселената е невероятно. През първите стотици хиляди години след Големия гърмеж тя е била непрозрачна плазма, бълбукащ казан от частици и радиация. Светлината оттова просто не е достигала до нас. А тази, която ни доближава от по-късните столетия, се разтяга и охлажда до неразбираемост.
Но в тези най-ранни моменти са се случвали събития с колосална мощ. Става дума за хипотези, учредени на фундаменталната физика: да вземем за пример гравитационен колапс на свръхплътни области от материя в първичните черни дупки или фазови преходи, когато фундаменталните сили на природата са придобили сегашната си форма – тези процеси не са били безусловно плавни и са могли да бъдат съпроводени с освобождение на колосална сила. Можем ли да открием следи от тях?
Логаритмична карта на Вселената. Жълтата ярка линия на външния борд е галактическото микровълново излъчване – самата светлинна стена, която не разрешава да се изследват най-ранните моменти от раждането на Вселената Ново изследване предлага метод за наблюдаване на тези събития. Разбира се, не с цел да се види самата детонация в някой телескоп, а с цел да се улови нейният доста характерен, заобиколен сигнал, който е пътувал милиарди години и изцяло е трансформирал природата си.
Защо не можем да забележим първите детонации?
Да предположим, че е имало голямо освобождение на сила в доста ранната Вселена. То е породило поток от частици и радиация. Но от този момент Вселената се е разширила неимоверно. С разширението на пространството светлинните талази безусловно се разтягат, а силата им понижава.
За да измерят какъв брой се е разширила Вселената, откогато е била излъчена светлината, космолозите употребяват параметър, наименуван алено отместване, обозначаван с буквата z. Това е число, което демонстрира какъв брой пъти се е нараснала дължината на вълната на светлината, до момента в който е пътувала към нас. Колкото по-голяма е цената на z, толкоз по-назад във времето гледаме. Например светлината от околните галактики има стойност z, по-малка от единица. Реликтовото излъчване, предавано 380 000 години след Големия гърмеж, има стойност z към 1100.
Една парченце, подбудена по време на катаклизма с гигантско алено отместване (да речем, z, равно на милиарди), би пристигнала при нас през днешния ден с съвсем нулева сила. Нейният сигнал ще бъде толкоз слаб, че ще потъне във фоновия звук на космоса. Прякото наблюдаване на тези събития е затворено за нас вечно.
В задънена улица? Ами в случай че не е належащо да осезаем самата първична парченце на детонацията? Ами в случай че тя е основала нещо друго по пътя си – някакъв второстепенен сигнал, който към този момент е съумял да доближи до нас?
Посредникът
Авторите на хипотезата оферират да се съсредоточим върху неутриното. Тези частици нямат съвсем никаква маса и извънредно едва взаимодействат с материята, което ги прави идеални носители на информация от плътни и горещи среди. Вероятно точно неутриното е пренесло лъвския къс от силата от първите галактически катаклизми.
„ Карта на оцеляването “ на неутриното от ранната Вселена. Тази графика демонстрира кои неутрино, подбудени в античните катаклизми, биха могли да предадат своя сигнал до нас. Началната сила на неутриното (E_em) е нанесена хоризонтално, а условното време на зараждането му (x, където колкото по-малко е x, толкоз по-рано е настъпило събитието) е нанесено отвесно. Ключовият детайл е диагоналната линия, която разделя графиката на две зони: зона „ бягство “, над линията: подбудените тук неутрино са имали задоволително ниска сила или са се появили задоволително късно, с цел да избягат от плътната плазма на ранната Вселена. Те са тези, които могат да генерират следения от нас сигнал. Зоната на „ задържане “, под линията: тези неутрино са били прекомерно енергични или са се родили прекомерно рано, тъй че са били погълнати от средата и сигналът им не е достигнал до нас. Две криви (Крива I и Крива II) демонстрират вероятната „ орис “ на две неутрино с разнообразни сили. Те ясно демонстрират, че частицата с висока сила (Крива I) има доста по-малък късмет да „ избяга “, в сравнение с частицата с по-ниска сила (Крива II).
Ето по какъв начин е построена логическата верига:
Експлозията. В доста ранната Вселена поражда предполагаем гърмеж. Тя излъчва поток от високоенергийни неутрино. Дългият път. Неутриното прелита през разширяващата се Вселена. Енергията им последователно понижава заради аленото отместване, само че остава много висока. Ключовият конфликт. Стотици милиони години по-късно, в ера, съответстваща на алено отместване z ≈ 200-300, Вселената към този момент е доста по-хладна и транспарантна. Неутриното от това антично изригване се сблъсква с протон (водородно ядро). Раждането на антиматерията. При тази реакция се ражда позитронът (e⁺), античастицата на електрона. За информация, самата реакция наподобява по този начин: ν + p → e⁺ + n.И тук се крие същината на концепцията. Според общоприетия космологичен модел в тази ера във Вселената не би трябвало да има свободни позитрони. Температурите и силите към този момент са прекомерно ниски, с цел да се появят по натурален път. Ако открием доказателства за съществуване на позитрони по това време, това непосредствено насочва към някакъв ексцентричен, другоземен източник на сила. Този източник са били тези антични проблясъци.
Отпечатъкът от антиматерията
Позитронът, като антиматерия, не може да оцелее дълго в света на елементарната материя. Той съвсем незабавно намира най-близкия електрон и те анихилират – изчезват, трансформирайки своята маса в чиста сила.
Тази сила се освобождава под формата на два фотона с доста характерна характерност. Преди да я назовем, дано въведем единица за премерване. Във физиката на обикновените частици силата нормално се мери в електронволти. За нашите цели е значима производната единица – килоелектронволт (keV), т.е. хиляда електронволта.
Така че всеки фотон, подбуден от анихилацията на електрон и позитрон, има сила тъкмо 511 keV. Това е точният енергиен еквивалент на масата на покой на тези частици. Това е техният неповторим пръстов отпечатък.
Така че имаме нов сигнал. Вече не неуловимото неутрино, а фотон с тъкмо избрана сила. Той се е родил в избрана ера (z ≈ 200-300) като директно разследване от появяването на позитрона, който не би трябвало да съществува.
Сега на този фотон му следва дълъг път до нашите телескопи.
Схематична карта на „ следите “ от античните детонации върху „ стената на светлината “. Тази илюстрация (без мащаб) демонстрира по какъв начин биха могли да наподобяват следите от хипотетичните гърмежи върху повърхността, от която е било излъчено реликтовото излъчване. Големият кръг е нашият небосвод на наблюдаване. Той съставлява частта от античната Вселена, която можем да забележим от Земята в даден миг. Можем да открием единствено събития, чиито „ следи “ се припокриват с този кръг. Малките кръгове са следи от обособени детонации, оставени от неутриното. Техният размер е от решаващо значение: по-големите кръгчета съставляват сигнали от „ оживели “ (избягали) неутрино. Тези частици са летели свободно, тъй че следите им са по-големи и с почти идентичен размер. Най-малките кръгчета съставляват следи от „ погълнати “ експлоадирания (абсорбирани). Тези сигнали са били спрени първоначално, по тази причина следите им са по-малки. Важно е да се разбере, че това е двуизмерен откъслек от триизмерната действителност: в действителност всички кръгове са сфери, а пресечната им точка с нашия небосвод на наблюдаване е диск.
Какво тъкмо би трябвало да забележим?
Фотонът с мощ 511 keV е твърдо гама лъчение. Но до момента в който той лети към нас, Вселената продължава да се уголемява. Енергията му, както и тази на първичните частици, спада заради същото алено отместване.
Изчисленията демонстрират, че фотон, подбуден с сила 511 keV в една ера с алено пренасяне z ≈ 200-300, ще дойде на Земята през днешния ден с сила към 2-3 keV. Това към този момент е мекият рентгенов диапазон.
Ето по какъв начин наподобява крайната цел на търсенето. Астрономите би трябвало да търсят характерен остатък на рентгеново лъчение в небето. Този сигнал няма да наподобява като блестящо леке – защото изригвания е имало в цялата ранна Вселена и фотоните са се раждали в разнообразни моменти от време, сигналът би трябвало да наподобява като плавна, размита гърбица в рентгеновия набор към 2-3 keV.
Теоретичната форма на сигнала от античните изригвания. Така би трябвало да наподобява „ рентгеновата гърбица “, която астрономите ще търсят в небето Не е елементарно да я намерим. Небето ни е цялостно с рентгенови източници. Но хипотетичният сигнал има особена форма. Откриването на сходна гърбица би било директно доказателство за съществуването на позитрони в онази ера, което опонира на общоприетия космологичен модел.
За първи път ще получим наблюдателни доказателства за катаклизми, за които до момента се смяташе, че са вечно скрити зад непрозрачната плазма на ранната Вселена, като записваме тяхната косвена, рентгенова диря. Астрономите към този момент разполагат с ясна и проверима догадка за по-нататъшни търсения, оповестява The Astrophysical Journal.
