Слабке світіння Всесвіту повільно згасає

Вчені наважилися відвідати далекі куточки Сонячної системи, принаймні віртуально, щоб зібрати найточніші вимірювання слабкого світіння, яке наповнює Всесвіт. Сукупне світло від усіх джерел за межами галактики Чумацький Шлях відоме як космічний оптичний фон.

У недавньому дослідженні, опублікованому в The Astrophysical Journal, експерти проаналізували дані космічного корабля NASA New Horizons, який пролетів повз Плутон у 2015 році і зараз знаходиться майже в 5,5 мільярдів миль від Землі. 

Слабке світло трильйона галактик 

За словами співавтора Майкла Шулла, астрофізика з Університету Колорадо в Боулдері, дослідження стосується, здавалося б, простого, але глибокого питання: «Чи справді небо темне?» 

«На зорі часів Всесвіт був морем світла. Але коли він розширювався, він охолоджувався, тьмянів і матерія виходила на перший план. Приблизно через 14 мільярдів років після Великого вибуху космос тепер холодний і темний», — зазначили дослідники.

«Хоча наш горизонт охоплює майже трильйон галактик, які сформувалися за цей час, вони жахливо тьмяні, і нам потрібні наші найпотужніші телескопи, щоб безпосередньо визначити їх присутність».

Хоча космос здається чорним для людських очей, вчені вважають, що він не зовсім позбавлений світла. Протягом космічної історії трильйони галактик, наповнених зірками, з’являлися та зникали, залишаючи за собою слабке, майже непомітне світло – щось на зразок космічного нічного світила.

Вимірювання світіння Всесвіту 

Шулл і його команда під керівництвом Марка Постмана з Наукового інституту космічного телескопа в Балтіморі розрахували інтенсивність цього слабкого світіння. Отримані дані свідчать про те, що космічний оптичний фон приблизно в 100 мільярдів разів тьмяніший за сонячне світло, яке досягає поверхні Землі, – надто слабке, щоб людське око помітило його.

Результати можуть допомогти вченим краще зрозуміти історію Всесвіту з моменту Великого вибуху. 

«Ми на кшталт космічних бухгалтерів, додаючи кожне джерело світла, яке ми можемо порахувати у Всесвіті», — сказав Шулл, нічого, що ця спроба кількісно визначити космічний оптичний фон захоплювала вчених майже півстоліття.

Згасає світло у всьому Всесвіті

Шулл пояснив, що після десятиліть досліджень астрофізики вважають, що вони мають достатньо чітке уявлення про те, як розвивався Всесвіт.  Галактики вперше утворилися в період, званий Космічним світанком, через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. Світло від цих галактик досягло свого піка яскравості приблизно 10 мільярдів років тому і з того часу поступово згасає.

Точні вимірювання космічного оптичного фону можуть допомогти підтвердити, чи правильне це розуміння Всесвіту, чи можуть існувати приховані, невідкриті об’єкти, що подають світло в космос. Однак виміряти це слабке світло непросто, особливо з Землі.

Рідкісна можливість спостерігати за світінням Всесвіту 

Територія навколо Землі заповнена пилом і сміттям. Сонячне світло відбивається від цього матеріалу, закриваючи будь-які сигнали космічного оптичного фону.

«Метафора, яку я використовую, полягає в тому, що якщо ви хочете побачити зірки, вам потрібно вибратися з Денвера», — сказав Шулл. «Ви повинні йти далеко, прямо в північно-східний кут Колорадо, де все, що у вас попереду, це Південна Дакота і Небраска».

New Horizons надав вченим рідкісну можливість досягти чогось подібного в космосі.

Місія New Horizons

Місія New Horizons має глибоке коріння в Колорадо. Алан Стерн, який був аспірантом Університету Колорадо в Боулдері під керівництвом Шулла та колишнього старшого наукового співробітника Джека Брандта, очолює місію. Зараз він працює в Південно-Західному дослідницькому інституті в Боулдері, штат Колорадо. 

Космічний корабель також має студентський лічильник пилу, прилад, розроблений і виготовлений студентами Лабораторії атмосферної та космічної фізики університету в Боулдері (LASP). Влітку 2023 року дослідницька група націлила Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) New Horizons на 25 різних ділянок неба.

Навіть на зовнішніх краях Сонячної системи команда все одно мала справу з надлишком світла. Наприклад, галактика Чумацький Шлях знаходиться в ореолі, який, як і Сонячна система, містить пил. «Від пилу не втечеш», — зазначив Шулл. «Це скрізь».

Космічний оптичний фон 

Дослідники оцінили, скільки світла може внести ореол Чумацького Шляху, і відняли це з даних, зібраних LORRI. Після врахування всіх інших джерел світла вони залишилися зі слабким світінням космічного оптичного фону.

З наукової точки зору цей фон дорівнює приблизно 11 нановат на квадратний метр на стерадіан (стерадіан — це ділянка неба, ширина якої приблизно в 130 разів перевищує діаметр Місяця).

Шулл пояснив, що це значення добре узгоджується з кількістю галактик, які, на думку вчених, утворилися після Великого вибуху. Іншими словами, здається, не існує жодних таємничих об’єктів, таких як екзотичні частинки, які випромінюють значну кількість світла. Однак дослідники не можуть повністю виключити можливість таких аномалій.

Найбільш точні оцінки світіння Всесвіту 

Ймовірно, ці вимірювання залишаться найточнішими оцінками світіння Всесвіту в доступному для огляду майбутньому. New Horizons використовує паливо, що залишилося, для інших наукових місій, і наразі жоден інший космічний корабель не планує відправлятися в холодні та віддалені частини космосу, які досліджував New Horizons.

«Якщо вони використають камеру для майбутньої місії, і ми всі почекаємо кілька десятиліть, поки вона з’явиться, ми зможемо побачити більш точні вимірювання», — підсумував Шулл.