Да се види раждането на Вселената ни пречи стена от светлина. Как можем да погледнем отвъд нея? Учените имат идея

Да видим раждането на Вселената е невъзможно. През първите стотици хиляди години след Големия взрив тя е била непрозрачна плазма, бълбукащ котел от частици и радиация. Светлината оттам просто не е достигала до нас. А тази, която ни достига от по-късните епохи, се разтяга и охлажда до неузнаваемост.

Но в тези най-ранни моменти са се случвали събития с колосална сила. Става дума за хипотези, основани на фундаменталната физика: например 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 непременно плавни и са могли да бъдат съпроводени с освобождаване на колосална енергия. Можем ли да открием следи от тях?

Ново проучване предлага начин за наблюдение на тези събития. Разбира се, не за да се види самата експлозия в някой телескоп, а за да се улови нейният много специфичен, непряк сигнал, който е пътувал милиарди години и напълно е променил природата си.

Защо не можем да видим първите експлозии?

Да предположим, че е имало огромно освобождаване на енергия в много ранната Вселена. То е породило поток от частици и радиация. Но оттогава Вселената се е разширила неимоверно. С разширяването на пространството светлинните вълни буквално се разтягат, а енергията им намалява.

За да измерят колко се е разширила Вселената, откакто е била излъчена светлината, космолозите използват параметър, наречен червено отместване, обозначаван с буквата z. Това е число, което показва колко пъти се е увеличила дължината на вълната на светлината, докато е пътувала към нас. Колкото по-голяма е стойността на z, толкова по-назад във времето гледаме. Например светлината от близките галактики има стойност z, по-малка от единица. Реликтовото лъчение, излъчвано 380 000 години след Големия взрив, има стойност z около 1100.

Една частица, породена по време на катаклизма с гигантско червено отместване (да речем, z, равно на милиарди), би пристигнала при нас днес с почти нулева енергия. Нейният сигнал ще бъде толкова слаб, че ще потъне във фоновия шум на космоса. Прякото наблюдение на тези събития е затворено за нас завинаги.

В задънена улица? Ами ако не е необходимо да уловим самата първоначална частица на експлозията? Ами ако тя е създала нещо друго по пътя си – някакъв вторичен сигнал, който вече е успял да достигне до нас?

Посредникът

Авторите на хипотезата предлагат да се съсредоточим върху неутриното. Тези частици нямат почти никаква маса и изключително слабо взаимодействат с материята, което ги прави идеални носители на информация от плътни и горещи среди. Вероятно именно неутриното е пренесло лъвския пай от енергията от първите космически катаклизми.

^{„Карта на оцеляването“ на неутриното от ранната Вселена. Тази графика показва кои неутрино, породени в древните катаклизми, биха могли да предадат своя сигнал до нас. Началната енергия на неутриното (E_em) е нанесена хоризонтално, а условното време на зараждането му (x, където колкото по-малко е x, толкова по-рано е настъпило събитието) е нанесено вертикално. Ключовият елемент е диагоналната линия, която разделя графиката на две зони: зона „бягство“, над линията: породените тук неутрино са имали достатъчно ниска енергия или са се появили достатъчно късно, за да избягат от плътната плазма на ранната Вселена. Те са тези, които могат да генерират наблюдавания от нас сигнал. Зоната на „задържане“, под линията: тези неутрино са били твърде енергични или са се родили твърде рано, така че са били погълнати от средата и сигналът им не е достигнал до нас. Две криви (Крива I и Крива II) показват възможната „съдба“ на две неутрино с различни енергии. Те ясно показват, че частицата с висока енергия (Крива I) има много по-малък шанс да „избяга“, отколкото частицата с по-ниска енергия (Крива II).}

Ето как е изградена логическата верига:

1. Експлозията. В много ранната Вселена възниква хипотетичен взрив. Тя излъчва поток от високоенергийни неутрино.
2. Дългият път. Неутриното прелита през разширяващата се Вселена. Енергията им постепенно намалява поради червеното отместване, но остава доста висока.
3. Ключовият сблъсък. Стотици милиони години по-късно, в епоха, съответстваща на червено отместване z ≈ 200-300, Вселената вече е много по-хладна и прозрачна. Неутриното от това древно изригване се сблъсква с протон (водородно ядро).
4. Раждането на антиматерията. При тази реакция се ражда позитронът (e⁺), античастицата на електрона. За справка, самата реакция изглежда така: ν + p → e⁺ + n.

И тук се крие същината на идеята. Според стандартния космологичен модел в тази епоха във Вселената не би трябвало да има свободни позитрони. Температурите и енергиите вече са твърде ниски, за да се появят по естествен път. Ако открием доказателства за наличие на позитрони по това време, това директно насочва към някакъв нестандартен, екзотичен източник на енергия. Този източник са били онези древни проблясъци.

Отпечатъкът от антиматерията

Позитронът, като антиматерия, не може да оцелее дълго в света на обикновената материя. Той почти мигновено намира най-близкия електрон и те анихилират – изчезват, превръщайки своята маса в чиста енергия.

Тази енергия се освобождава под формата на два фотона с много специфична характеристика. Преди да я назовем, нека въведем единица за измерване. Във физиката на елементарните частици енергията обикновено се измерва в електронволти. За нашите цели е важна производната единица – килоелектронволт (keV), т.е. хиляда електронволта.

Така че всеки фотон, породен от анихилацията на електрон и позитрон, има енергия точно 511 keV. Това е точният енергиен еквивалент на масата на покой на тези частици. Това е техният уникален пръстов отпечатък.

Така че имаме нов сигнал. Вече не неуловимото неутрино, а фотон с точно определена енергия. Той се е родил в определена епоха (z ≈ 200-300) като пряко следствие от появата на позитрона, който не би трябвало да съществува.

Сега на този фотон му предстои дълъг път до нашите телескопи.

^{Схематична карта на „следите“ от древните експлозии върху „стената на светлината“. Тази илюстрация (без мащаб) показва как биха могли да изглеждат следите от хипотетичните взривове върху повърхността, от която е било излъчено реликтовото лъчение. Големият кръг е нашият хоризонт на наблюдение. Той представлява частта от древната Вселена, която можем да видим от Земята в даден момент. Можем да открием само събития, чиито „следи“ се припокриват с този кръг. Малките кръгове са следи от отделни експлозии, оставени от неутриното. Техният размер е от решаващо значение: по-големите кръгчета представляват сигнали от „оцелели“ (избягали) неутрино. Тези частици са летели свободно, така че следите им са по-големи и с приблизително еднакъв размер. Най-малките кръгчета представляват следи от „погълнати“ избухвания (абсорбирани). Тези сигнали са били спрени в началото, затова следите им са по-малки. Важно е да се разбере, че това е двуизмерен отрязък от триизмерната реалност: всъщност всички кръгове са сфери, а пресечната им точка с нашия хоризонт на наблюдение е диск.}

Какво точно трябва да видим?

Фотонът с мощност 511 keV е твърдо гама излъчване. Но докато той лети към нас, Вселената продължава да се разширява. Енергията му, както и тази на първоначалните частици, спада поради същото червено отместване.

Изчисленията показват, че фотон, породен с енергия 511 keV в една епоха с червено преместване z ≈ 200-300, ще пристигне на Земята днес с енергия около 2-3 keV. Това вече е мекият рентгенов диапазон.

Ето как изглежда крайната цел на търсенето. Астрономите трябва да търсят специфичен излишък на рентгеново излъчване в небето. Този сигнал няма да изглежда като ярко петно – тъй като изригвания е имало в цялата ранна Вселена и фотоните са се раждали в различни моменти от време, сигналът трябва да изглежда като плавна, размита гърбица в рентгеновия спектър около 2-3 keV.

Не е лесно да я намерим. Небето ни е пълно с рентгенови източници. Но хипотетичният сигнал има особена форма. Откриването на подобна гърбица би било пряко доказателство за съществуването на позитрони в онази епоха, което противоречи на стандартния космологичен модел.

За първи път ще получим наблюдателни доказателства за катаклизми, за които досега се смяташе, че са завинаги скрити зад непрозрачната плазма на ранната Вселена, като регистрираме тяхната косвена, рентгенова следа. Астрономите вече разполагат с ясна и проверима хипотеза за по-нататъшни търсения, съобщава The Astrophysical Journal.