Космическое микроволновое фоновое излучение хранит в себе множество тайн, но ни одна из них не вызывает столько споров, сколько знаменитое Холодное пятно в созвездии Эридана. В новом выпуске проекта PBS Space Time автор видео разбирает резонансную научную публикацию, которая ставит под сомнение самую популярную гипотезу происхождения этого феномена. Если гигантские космические пустоты не виноваты в аномальном охлаждении реликтового излучения, то не стоим ли мы на пороге доказательства существования мультивселенной?
🌌 Загадка реликтового холодного пятна 0:02
Космическое микроволновое фоновое излучение (CMB), или реликтовое излучение, равномерно заполняет всю нашу Вселенную. Как объясняет ведущий, этот древнейший свет высвободился в момент формирования самых первых атомов, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва.
Изначально излучение находилось в инфракрасном диапазоне и имело температуру около 3000 Кельвинов. Однако за тринадцать с половиной миллиардов лет космического расширения пространство растянулось, превратив этот свет в микроволны и охладив его до температуры, крайне близкой к 2,725 Кельвина по всей небесной сфере.
Несмотря на поразительную однородность, реликтовый фон покрыт крошечными температурными флуктуациями. По мнению ученых, эти пятна возникли из случайных квантовых колебаний в самые первые мгновения после Большого взрыва, а затем были многократно усилены периодом экспоненциального расширения — инфляцией.
Обычно температурные отклонения от среднего значения составляют всего около 20 микрокельвинов. Однако Холодное пятно, расположенное в направлении южного созвездия Эридана, резко выделяется на общем фоне: оно холоднее среднего значения на внушительные 150 микрокельвинов.
Основные характеристики Холодного пятна включают в себя следующие параметры:
- Температурный контраст: область холоднее окружающего реликтового фона на 150 микрокельвинов.
- Колоссальный масштаб: диаметр центрального самого холодного ядра составляет 10 градусов, а вместе с гало и горячим ободком — около 20 градусов.
- Визуальный размер: на ночном небе эта аномалия заняла бы пространство, эквивалентное 40 полным лунам.
Масштаб этой структуры можно попытаться объяснить банальной статистической случайностью. Большие космологические симуляции показывают, что пятно подобного размера может спонтанно возникнуть примерно в одной из 50 вселенных. Вероятность мала, но вполне осязаема, однако ученые все же решили поискать более глубокие физические причины аномалии.
🕳️ Эффект Сакса — Вольфа и гипотеза суперпустот 3:32
В 2006 году исследователи Оуэн и Силк впервые предположили, что Холодное пятно может быть отпечатком гигантской суперпустоты (супервойда) благодаря так называемому интегральному эффекту Сакса — Вольфа (ISW). Этот эффект наглядно демонстрирует действие темной энергии в космическом противостоянии с гравитацией, напоминая своеобразное перетягивание каната.
Ведущий канала приводит понятную физическую аналогию с лыжным трамплином:
Когда фотон влетает в плотное скопление галактик, наполненное материей, он получает энергетический импульс, «скатываясь» в гравитационный колодец. Но пока фотон выбирается обратно, ускоряющееся расширение Вселенной успевает растянуть это скопление материи, ослабляя его гравитационную силу. Получается крутой спуск и пологий подъем. В итоге фотон выходит наружу с чистым приростом энергии, что отображается на карте реликтового излучения как горячая точка.
В космических пустотах (войдах) происходит диаметрально противоположный процесс. Фотон теряет энергию на входе, поскольку его притягивает назад более плотная Вселенная, оставшаяся позади него. На выходе же из пустоты галактики успевают разлететься еще дальше, поэтому фотон не получает должного обратного ускорения.
Интегральный эффект Сакса — Вольфа был бы ничтожно мал в космосе без темной энергии. Однако около четырех миллиардов лет назад темная энергия заставила Вселенную расширяться с ускорением, сменив стадию замедления под действием гравитации.
В ускоряющейся Вселенной разница между входящим и исходящим энергетическими импульсами фотонов становится достаточно большой для фиксации приборами. Следовательно, если бы на пути реликтового излучения лежали колоссальные пустоты, они могли бы буквально истощать энергию пролетающих фотонов, превращаясь на картах в Холодное пятно.
🔭 Находка в австралийской пустыне: суперпустоты не виноваты 5:28
Чтобы проверить эту красивую гипотезу, астрономы под руководством Маккензи в 2017 году опубликовали исследование, задействовав Англо-австралийский телескоп в штате Новый Южный Уэльс. Они провели детальный спектроскопический обзор 7000 галактик в направлении Холодного пятна вплоть до красного смещения 0,4.
Разложив свет галактик по длинам волн, ученые определили их точное красное смещение, вызванное расширением Вселенной. Это позволило вычислить точные расстояния до объектов и построить детальный трехмерный атлас распределения галактик до той эпохи, когда темная энергия начала доминировать в космосе.
Исследователи действительно обнаружили три или четыре суперпустоты на линии взгляда. Однако их триумф был недолгим: суммарный эффект Сакса — Вольфа, рассчитанный математически для всех четырех найденных пустот, должен был снизить температуру реликтового излучения всего лишь на 30 микрокельвинов. Это составляет лишь пятую часть от наблюдаемого падения в 150 микрокельвинов.
Для чистоты эксперимента команда Маккензи изучила контрольную область неба под названием G23 в направлении яркой звезды Фомальгаут. Структура пустот там оказалась аналогичной той, что наблюдается в направлении Холодного пятна.
Расчетный эффект ISW для зоны G23 должен был дать охлаждение реликтового излучения на 14 микрокельвинов. Реальные наблюдения зафиксировали там отклонение в 15 микрокельвинов, что идеально совпало с математической моделью.
Таким образом, контрольная группа доказала абсолютную точность методики расчетов. На основе этого авторы работы сделали вывод: суперпустоты никак не могут служить единственным объяснением существования 150-микрокельвинового Холодного пятна.
💥 Столкновение вселенных или статистическая флуктуация? 7:17
Поскольку самая «приземленная» теория супервойдов оказалась практически разрушена, ученым приходится рассматривать куда более радикальные сценарии. Первой альтернативой выступает популярная идея о том, что наши представления о гравитации неверны на сверхбольших космологических масштабах.
Тем не менее, модифицированная гравитация сейчас находится в крайне шатком положении, поскольку темная материя находит все больше практических подтверждений, а контрольная область G23 выдала корректный результат в рамках стандартной теории относительности.
После исключения гипотезы супервойдов у космологов осталось несколько альтернативных сценариев:
- Статистическая флуктуация. Самый прагматичный вариант, вероятность реализации которого в любой случайной вселенной оценивается как 1 к 50.
- Модифицированная гравитация. Предположение о том, что наши расчеты эффекта ISW неверны из-за непонимания гравитации на больших масштабах, хотя успехи теории темной материи подрывают эту позицию.
- Инфляционные аномалии. Сюда относятся модели с усилением топологических дефектов пространства или неоднородным разогревом в конце инфляции.
- Столкновение вселенных. Гипотеза вечной инфляции, в которой пузырьковые вселенные неизбежно сталкиваются, оставляя температурные следы.
Наибольший ажиотаж в медиа вызывает предположение о том, что Холодное пятно — это шрам от столкновения нашей Вселенной с другой пузырьковой вселенной. Согласно теории вечной инфляции, первоначальное экспоненциальное расширение пространства длится бесконечно. Привычные нам вселенные возникают как локальные изолированные пузыри там, где энергия вакуума спонтанно стабилизируется и переходит к обычному расширению.
В бесконечно разрастающемся пространстве-времени столкновения таких пузырей становятся неизбежными. При их контакте происходит колоссальный обмен энергией.
Как рассчитали физики Чанг, Клебан и Леви в 2009 году, подобное слияние должно приводить к формированию четкого градиента температур поперек каждой из вселенных. Если точка слияния находится на значительном удалении от нас, то для земного наблюдателя она будет выглядеть именно как гигантское горячее или холодное пятно на реликтовом фоне.
По определению ведущего, идея мультивселенной все еще остается маргинальной, а само Холодное пятно, скорее всего, окажется редкой статистической флуктуацией. Однако развенчание стандартной теории супервойдов оставляет гипотезу столкновения пузырей «в игре». Если она подтвердится, человечество получит первое в истории прямое доказательство существования иных миров за границами нашего космоса.
🧬 Минутка генетики: неандертальские суперсилы 10:36
В традиционном блоке спонсорской интеграции автор видео рассказывает о компании персонального генетического анализа 23andme, чье название напрямую отсылает к 23 парам хромосом в ДНК человека. Данный сервис помогает пользователям определить этническое происхождение предков, а также узнать, как генетика влияет на здоровье, черты лица, структуру волос и даже качество сна.
Поделившись собственными результатами теста, ведущий с иронией признался, что в его геноме обнаружилось неожиданно много ДНК неандертальцев. Более того, в одном конкретном гене у него выявился двойной неандертальский аллель, что означает единичное нуклеотидное отличие в обеих хромосомах.
Как выяснилось из отчета, люди с такой редкой генетической особенностью чуть менее склонны чихать после употребления в пищу темного шоколада. Обнаружив у себя столь необычное свойство, блогер в шутку отправил заявку на вступление в команду Людей Икс, но ответа пока не получил.
⭐️ Вопросы зрителей: первые звезды Вселенной 12:08
В финальной интерактивной части программы автор ответил на вопросы к предыдущему выпуску, который был посвящен гипотетическим звездам населения III (Population III) — самому первому поколению звезд во Вселенной, появившемуся вскоре после Большого взрыва.
Зрители интересовались возможностью заглянуть в глубокое прошлое, чтобы увидеть эти объекты напрямую. Ведущий пояснил, что для обнаружения объектов, существовавших более 13 миллиардов лет назад, требуются колоссальные расстояния. На таких дистанциях даже целые формирующиеся галактики едва различимы для крупнейших телескопов мира, не говоря уже об отдельных светилах.
Чтобы доказать принадлежность звезды к первому поколению, ученым необходимо подтвердить её нулевую металличность. Для этого свет объекта нужно разложить в спектр и проверить отсутствие эмиссионных линий тяжелых элементов. Собрать достаточное количество фотонов для спектрального анализа одиночной древней звезды современная техника пока не позволяет.
На текущий момент усилия астрофизиков сосредоточены на компьютерном моделировании звездных популяций. Впрочем, исследование Собрала (Sobral et al., 2015) уже выявило в ранней Вселенной несколько галактик, чье аномальное свечение крайне трудно объяснить без присутствия огромного количества звезд населения III.
Пользователь с ником yummy задал логичный вопрос: почему классификация звезд выстроена задом наперед, ведь разумнее было бы назвать самое первое поколение звезд «населением I»?
Ведущий со смехом согласился, признав, что астрономы исторически оказались заложниками множества запутанных и контринтуитивных старых мер:
- Обратная шкала видимых звездных величин, где более яркие объекты имеют меньшие значения.
- Использование парсеков вместо стандартных световых лет.
- Привычка называть «металлами» абсолютно любые химические элементы тяжелее водорода и гелия.
Тем не менее, автор видео с оптимизмом подытожил, что у астрономии есть и прогресс — по крайней мере, мировое научное сообщество окончательно перешло на метрическую систему.
