Откуда мы знаем, что флюктуации в космическом микроволновом фоновом излучении (КМФИ) не загрязнены тем, что открывает телескоп им. Хаббла?

Тихо, одна за другой, на бескрайних небесных лугах
Ангельскими цветами распускались прекрасные звезды
— Лонгфелло

Отмечая 25-летие запуска космического телескопа им. Хаббла было естественно выбрать из ваших вопросов письмо от Жерара, обратившего внимание на две вещи, которые вы можете счесть несвязанными друг с другом, хотя они и связаны. Он спрашивает:

Учёные рассказывают о почти идеальной равномерности КМФИ. Откуда они знают, что измеренные расхождения в равномерности не возникают из-за отсутствия хороших поправок для галактик, находящихся в поле зрения измеряющих излучение телескопов?

Можно подумать, что это никак не связано с Хабблом, но это не так. Вернёмся к началу истории и проследим за её развитием.

Горячий Большой взрыв начинается с горячего и плотного супа частиц, античастиц и излучения при невероятно высоких температурах. Он почти идеально гладкий и однородный, но не совсем. Инфляция – явление, предшествовавшее и приведшее к Большому взрыву – растянуло крохотные квантовые флюктуации, постоянно происходящие по всему пространству Вселенной, и создало набор регионов повышенной и пониженной плотности.

Кроме того, эта горячая и плотная Вселенная расширяется. Гравитация работает на всеобщее сжатие и притягивает всё больше материи и энергии в регионы с повышенной плотностью и старается сколлапсировать Вселенную обратно. Эта же борьба гравитации с расширением, параллельно с охлаждением Вселенной (поскольку расширение влияет не только на количество вещества на единицу объёма) растягивает длины волн имеющегося света.

После того, как Вселенная охладилась достаточно для нарушения симметрий, и у частиц появилась масса, лишние пары частица/античастица аннигилируют, протоны с нейтронами формируют стабильные атомные ядра и, наконец, у вас появляется возможность создать стабильные нейтральные атомы, поскольку остаточное излучение уже не обладает достаточной для повторной ионизации атомов энергией. В этот момент оставшиеся от Большого взрыва фотоны получают возможность путешествовать по прямой, поскольку свободные электроны становятся связанными.

Это излучение практически однородно. А вот видимое нами излучение будет однородным, да не совсем. Инфляция не только создала регионы с разной плотностью, но на определённых масштабах (чаще на малых) гравитация ещё и поработала над тем, чтобы увеличить (или уменьшить на других масштабах, что влияет на взаимодействие с излучением) разницу между регионами с повышенной и пониженной плотностью.

Так почему же, хотя излучение получилось однородным, мы его таким не видим?

Вспомним самую важную идею, введённую Эйнштейновской ОТО: пространство искривляется в присутствии материи и энергии. Если взять регион космоса с повышенной плотностью – больше материи, больше энергии – пространство в нём будет искривлено сильнее и любой попадающий в этот регион свет сдвинется в синюю часть спектра, а любой выходящий из неё свет сдвинется в красную часть.

И если весь свет изначально был одной температуры, но некоторые регионы оказались более или менее плотными, что это будет означать для света, попавшего и затем покинувшего такой регион и пришедшего в наши глаза?

Это значит, что более плотные регионы будут казаться более холодными, из-за более высокого гравитационного красного смещения, а менее плотные – более горячими, из-за более низкого гравитационного красного смещения. Это называется эффектом Сакса — Вольфа.

Когда мы изучаем лучшие из имеющихся фотографий «детства Вселенной», то есть, флюктуаций в КМФИ, мы видим на них именно то, что ожидаем: холодные участки соответствуют регионам с большей плотностью, которые когда-нибудь, благодаря гравитации, вырастут в области, богатые звездами, галактиками и скоплениями. Наоборот, горячие участки – регионы с меньшей плотностью, которые в среднем отдадут всю свою материю в окружающие их более плотные регионы и в них будет меньше среднего количества звёзд, галактик и скоплений.

А что насчёт всех звёзд, галактик и скоплений? Конечно, они могут привести к тем же результатам: гравитационному сдвигу в красную часть спектра после того, как доисторическое излучение выкарабкается из гравитационных колодцев. Ведь, как учит нас Хаббл, во Вселенной полно галактик, даже в тех местах космоса, в которых их не увидеть без очень длинной экспозиции.

Но само по себе это явление не будет проблемой. Фотоны испытали синее смещение, когда они «упали» в галактику и только потом уже испытали красное смещение на такую же величину, выбравшись оттуда.

Существует два явления, способных изменить энергию фотонов в подобных случаях и оба оказывают влияние на КМФИ:

1. Газ в галактиках и скоплениях, благодаря температуре и перемещению, может привести к изменению температуры в КМФИ. Это явление известно как эффект Сюняева — Зельдовича, он был предсказан и обнаружен.
2. Гравитационный потенциал этих объектов – повышена или понижена их плотность – может вырасти или упасть, пока фотон попадает в поле действия объекта, а затем выходит из него и поменять энергию. Это известно как интегрированный эффект Сакса — Вольфа и он играет роль в флюктуациях на больших масштабах, особенно в поздний период существования Вселенной.

Долгое время было довольно трудно объяснить существование пятна большого масштаба, температура которого была слишком низкой по отношению к теоретической. Такое большое и холодное пятно не должно было существовать, если Вселенная формировалась так, как я вам рассказал.

Но после активного поиска галактик в этой области мы определили, что в ней примерно на 20% меньше галактик, чем их бывает в среднем. Этот участок оказался великим космическим войдом, меняющим свой гравитационный потенциал благодаря интегрированному эффекту Сакса — Вольфа, в результате чего свет КМФИ слишком сильно смещается в красную часть спектра, то есть становится более холодным, чем обычно.

И если учесть это, получается, что холодное пятно в КМФИ – весьма ординарное и этот «супервойд», приведший к дополнительному охлаждению региона космоса – просто заурядный участок повышенной плотности в большом масштабе. Просто два обыкновенных явления наложились друг на друга и результат выглядел странно. Но на самом деле, Жерар, ситуация противоположна той, которой ты боялся: сопоставляя карты галактик с КМФИ, мы можем лучше понять, как выглядела наша Вселенная в момент рождения, до того, как любые гравитационные или астрофизические эффекты начали играть роль!

И очередное потрясающее достижение астрономии и астрофизики и каждый из телескопов, обозревавших ночное небо – включая телескоп им. Хаббла – внёс свою лепту в понимание этого вопроса.

Спасибо за прекрасный вопрос и ещё одну удивительную неделю. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.