Космическая обсерватория Планк и составленная с его помощью карта МФИ

Американские учёные из Калифорнийского университета предложили новый способ непрямого наблюдения самых ранних нейтрино, зародившихся в первые секунды существования Вселенной. По их расчётам, эти нейтрино оказали характерное влияние на космическое микроволновое фоновое излучение (МФИ) и распределение материи, из которой затем образовались галактики.

Первые мгновения Большого взрыва были очень горячими и активными – настолько горячими, что в таких условиях не могли существовать даже атомы. Параллельно с расширением Вселенной происходило образование частиц и разделение четырёх фундаментальных взаимодействий. А затем начали появляться адроны. В какой-то момент вещество стало прозрачным для нейтрино, которые получили возможность достаточно свободно передвигаться, не сталкиваясь с остальным веществом.

Всё это заняло не более 2 секунд – а потом ещё примерно 400000 лет свет не мог пробиться через материю, поэтому фотонов из этого временного промежутка мы уже не увидим. Зато нейтрино, очень слабо взаимодействующие с остальным веществом, мы могли бы поймать – если бы это не было так трудно сделать.

Но именно благодаря тому, что нейтрино слабо взаимодействуют с другими частицами, даже современные детекторы нейтрино вроде IceCube или глубоководного нейтринного телескопа «Дубна», способны уловить очень малое количество этих частиц, особенно тех, что зародились в начале Вселенной – их энергия слишком мала.

По аналогии с микроволновым фоновым излучением учёные говорят и о нейтринном фоновом излучении (НФИ). Его температура, уменьшившаяся вместе с расширением и охлаждением вселенной, чуть меньше, чем у микроволнового излучения, и составляет 1,9°C.

Карту микроволнового излучения неба учёные уже составили – а вот карту НФИ составить пока не удалось, так как не удаётся уловить нужные нейтрино напрямую. Но учёные из Калифорнийского университета предложили улавливать не сами нейтрино, а фиксировать последствия их существования.

Пока 400 тысяч лет материя пребывала в виде водородно-гелиевой плазмы, нейтрино уже бороздили просторы Вселенной со скоростью, близкой к световой. Эта скорость превышала скорость звука в плазме — следовательно, в ней должны были распространяться звуковые волны, порождаемые быстрыми нейтрино. Звуковые волны приводили к флуктуациям плотности первичной материи, которые можно измерить.

Эти флуктуации привели как к неоднородным распределениям материи, из которой потом формировались небесные объекты, так и к неоднородностям микроволнового фонового излучения, при которых в нём присутствуют вариации температуры.

Авторы просчитали, как теоретически должна была выглядеть картина МФИ в присутствии флуктуаций, вызываемых нейтрино, и при отсутствии таковых, при этом для разнообразия брали варианты с разным количеством типов нейтрино. Оказалось, что расчёты совпадают с известной нам картиной распределения излучения, когда в модели участвует как раз три аромата нейтрино – то есть, теория совпадает с реальностью.

Исследователи утверждают, что хотя влияние нейтрино на МФИ и мало, оно не только ощутимо, но и достаточно характерно. Другим кандидатом вместо нейтрино могла бы быть неизвестная форма тёмной материи, частицы которой двигались бы с околосветовой скоростью – что маловероятно.