Вселенную лихорадит: температура космоса выросла в несколько раз и чем это может грозить

Астрономы выяснили, что за последние восемь миллиардов лет температура вещества во Вселенной выросла втрое. О том, как исследователям удалось это определить, отчего разогревается космос и какие выводы из этого могут сделать обитатели Земли, рассказывает кандидат физико-математических наук астрофизик Анатолий Глянцев, сообщает FORBES.

Температура вещества в космосе растет. За последние восемь миллиардов лет она увеличилась втрое, и этот рост продолжается. Такой вывод сделали ученые из США, Японии и Германии, опубликовавшие научную работу в журнале Astrophysical Journal. Что происходит с нашей единственной Вселенной?

Этапы творения

В общем-то, космосу не привыкать быть горячим: в момент Большого взрыва (около 13,8 млрд лет назад) во Вселенной было жарко как никогда. Температура была такой, что было немыслимым существование даже атомных ядер, не то что звезд и планет. Но пространство расширялось, и тепловая энергия распределялась по все большему объему. Уже через несколько секунд мир остыл настолько, чтобы образовались первые атомные ядра. Чтобы они объединились с электронами в атомы, понадобилось еще триста тысячелетий. Вселенная продолжала расширяться и остывать. До появления первых звезд оставались еще сотни миллионов лет. Ничто не разгоняло космическую тьму, и в ней становилось все холоднее.

Но мир уже нес в себе зародыши будущего великолепия. Это были крошечные случайные неоднородности в распределении материи. Туда, где плотность была чуть-чуть выше, гравитация притягивала все новое вещество, чтобы в конце концов вылепить из него галактики. Сегодня большинство теоретиков признает, что ведущую роль в этом сыграла темная материя. Этой невидимой ни в какие телескопы неощутимой субстанции, которую упорно и пока безуспешно ищут земные детекторы, во Вселенной в несколько раз больше, чем обычного вещества. И она стала материалом и архитектором великой космической паутины.

Дело в том, что темная материя обладает тяготением, как и обычное вещество. Но есть у нее и принципиальное отличие. Когда гравитация сжимает облако обычного газа, его атомы все чаще сталкиваются друг с другом. Из-за этих столкновений возникает давление, и оно противодействует сжатию. А вот частицы темной материи, согласно современным теориям, никогда не встречаются друг с другом. Поэтому у темного вещества нет давления, и его сгусток беспрепятственно сжимается гравитацией. Так и вышло, что первыми отдельными объектами во Вселенной и зародышами будущих галактик стали сгустившиеся облака темной материи. Там, где росла плотность темной материи, увеличивалась и сила ее тяготения. А уж она притягивала в образующиеся сгустки и обычное вещество. Эти комки притягивались друг к другу, сталкивались и слипались. В череде бесчисленных «слияний и поглощений» возникли карликовые галактики. Они объединялись в крупные звездные системы.

К слову, этот процесс не завершен и по сей день. Галактики давным-давно сформировались, но гравитация — не подрядчик, который сдает объект и снимает леса. Темная материя продолжает собираться во все более крупные облака, а галактики под действием ее тяготения группируются во все более тесные скопления. И вот оказалось, что у этого процесса есть интересный побочный эффект.

Горячие деньки

Четыре пятых обычной (не темной) материи находится вне галактик. Это межгалактический газ. Правда, он настолько разрежен, что с точки зрения любого здравомыслящего инженера это никакой не газ, а самый настоящий вакуум. Но у астрономов свои мерки. Они не только знают о существовании межгалактического газа, но и умеют наблюдать его излучение и даже измерять его температуру. Межгалактического газа гораздо больше, чем вещества в галактиках вместе со всеми их звездами и планетами. Поэтому его температуру с некоторой натяжкой можно назвать температурой Вселенной. И сейчас она очень, очень высока (миллионы градусов).

Теоретики находят этому простое объяснение. Когда зародыши галактик сталкивались и сливались друг с другом, это вызывало в межгалактической среде ударные волны. Отчасти они были похожи на волны, которые оставляет за собой катер на поверхности моря. Эти волны интенсивно нагревали межгалактическую среду. Если так, то в прошлом ее температура должна была быть ниже. Но как это проверить?

Градусник для прошлого Вселенной

К счастью, астрономы-наблюдатели умеют путешествовать во времени. Дело в том, что свет от самых далеких космических объектов добирается к нам миллиарды лет. Значит, мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад, в момент испускания света. Правда, на сей раз ученые наблюдали не само излучение межгалактического газа (хотя он испускает рентгеновские лучи). Они выбрали более сложный, но обеспечивающий более точные измерения путь. Этот подход основан на наблюдении реликтового излучения. Реликтовое излучение отделилось от вещества через 300 000 лет после Большого Взрыва, когда появились первые атомы. Благодаря ему можно многое узнать о ранних стадиях эволюции Вселенной. В данном случае реликтовые радиоволны сыграли роль зонда, проходящего через межгалактический газ и собирающего о нем информацию.

Электроны межгалактического газа оказывают влияние на реликтовое излучение — это называется эффектом Сюняева — Зельдовича. Он назван в честь теоретически предсказавших его наших соотечественников: Рашида Алиевича Сюняева и Якова Борисовича Зельдовича. Этот эффект давно и продуктивно используется астрономами. В данном случае он позволил определить температуру межгалактического газа.

Авторы использовали данные миссии Planck. Этот космический радиотелескоп специально предназначен для наблюдений реликтового излучения. Он был запущен Европейским космическим агентством в 2009 году и обошелся в €700 млн (солидная сумма даже по меркам орбитальных обсерваторий). Но карты реликтового излучения, которые этот инструмент составил за 4,5 года работы, стали бесценным вкладом в наши знания о космосе. Полученную информацию авторы сопоставили с данными Слоановского цифрового обзора неба (SDSS). Этот проект стартовал в 2000 году и продолжается по сей день. С помощью 2,5-метрового оптического телескопа астрономы наносят на карту далекие галактики. В числе прочего ученые определяют красное смещение этих галактик, которое однозначно пересчитывается в расстояние.

Карты SDSS показали авторам нового исследования, где и на каком удалении находятся галактики. Данные «Планка», в свою очередь, указали на то, какой след оставил в реликтовом излучении окружающий их межгалактический газ. Взятые вместе, эти сведения помогли определить температуру газа на разных расстояниях от Земли и, следовательно, в разные эпохи. Полученные цифры впечатляют. За последние 7,7 млрд лет температура газа вокруг галактик увеличилась в три раза: с 700 000 до 2 млн градусов. И это притом, что 7,7 млрд лет назад большинство галактик, включая наш Млечный Путь, уже давно сформировалось, и эпоха самого бурного разогрева осталась далеко позади. Впрочем, эти результаты не стали неожиданностью для ученых.

«Наши новые измерения являются прямым подтверждением основополагающей работы Джима Пиблза, лауреата Нобелевской премии по физике 2019 года, который сформулировал теорию формирования крупномасштабной структуры Вселенной», — отмечает первый автор статьи И-Куань Цзян (Yi-Kuan Chiang) из Университета штата Огайо, США.

Хотя эпоха самого быстрого нагрева межгалактического вещества миновала, этот процесс продолжается и сейчас. Галактики по-прежнему сталкиваются, порождая волны в окружающем газе. К счастью, это явление ничем не угрожает нашей Галактике и нам, ее обитателям. Во-первых, межгалактический газ находится за пределами Млечного Пути. Во-вторых, он невероятно разрежен: с практической точки зрения это даже не газ, а пустота. От него не нагрелся бы даже космический корабль, если бы кто-то был в силах запустить его за пределы Галактики. В-третьих, нам вряд ли стоит беспокоиться о каких бы то ни было процессах, занимающих миллиарды лет. Нашему виду не исполнилось и миллиона лет, и за это время мы вышли в космос, расщепили атом и научились редактировать ДНК. Знание о далеком прошлом и далеком будущем Вселенной нужно нам не из соображений общественной безопасности, а для лучшего понимания устройства Вселенной и физических законов, которые ею управляют.