У Хулиана Муньоса есть "линейка", с помощью которой можно определить размеры ранней Вселенной.

Измерительный инструмент может создать шкалу расстояний для космического рассвета.

Физик-теоретик Джулиан Муньос изучает ранние годы существования Вселенной, когда засияли первые звезды и засверкали галактики. Он придумал способ измерения расстояний в ту эпоху, который называется стандартной линейкой.

Джулиан Муньос придумал линейку для измерения ранней Вселенной.

Физик-теоретик Муньос изучает далекий, тусклый период в истории Вселенной, известный как космический рассвет. Именно тогда, через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, звезды впервые начали мерцать, наполняя Вселенную первыми проблесками звездного света и образуя первые галактики.

До появления первых звезд Вселенная была холодной и темной - по выражению Муньоса, "скучной". Затем свет звезд начал изменять форму Вселенной. "Это очень драматическая эпоха", - говорит Муньос из Техасского университета в Остине.

Эта эпоха также плохо изучена. Космический рассвет настолько неисследован, что Муньос сравнивает его с неизведанной областью на ранних картах Земли. Там, говорит Муньос, "могут быть драконы". Изучая эту эпоху, он надеется раскрыть поведение одного из драконов космоса - темной материи, непостижимого вещества, масса которого связывает галактики.

Но чтобы понять космос, ученые должны уметь его измерять. Заглянуть далеко в космос - значит заглянуть глубоко в прошлое. Проблема в том, что наше двухмерное представление о небе не позволяет легко определить, насколько далеко находятся предметы. "Когда мы смотрим на ночное небо, у нас нет восприятия глубины", - говорит космолог Адриан Лю из Университета Макгилла в Монреале.

Ученые придумали множество методов для определения расстояний, включая стандартные свечи и стандартные линейки - объекты известной яркости или длины. Если вы знаете, насколько ярким является объект (по сравнению с тем, насколько ярким он кажется), или знаете, насколько длинным является определенный объект на небе (по сравнению с его видимой длиной), вы можете определить, насколько далеко он находится. С расстояния 20 метров линейка выглядит меньше, чем с расстояния 10 метров, а 20-ваттная лампочка выглядит тем тусклее, чем дальше она находится. То же самое относится и к космическим расстояниям.

Например, ученые используют определенные типы взрывающихся звезд для оценки расстояний, потому что взрывы дают предсказуемое световое шоу (SN: 5/8/12). Стандартные линейки или стандартные свечи можно использовать для определения расстояния до других объектов, представляющих интерес, и выяснения того, насколько быстро расширялась Вселенная за свою историю.

Но ни один из известных стандартных объектов не относится к эпохе космического рассвета. Именно в этом и состоит задача линейки Муньоса. "Возможность заглянуть так далеко в прошлое, - говорит Лю, - это действительно ценная вещь".

Оценка космического рассвета.

Никто еще не видел убедительных признаков космического рассвета - самые первые галактики слишком далеки, чтобы наблюдать их напрямую. Но есть другой способ обнаружить эффект космического рассвета, который давно интересует астрономов. Когда формировались первые звезды, их свет нагревал окружающий водородный газ, заставляя его поглощать свет с длиной волны 21 сантиметр - число, возникающее из-за разделения энергетических уровней в атомах водорода. Наблюдение этого 21-сантиметрового сигнала поглощения является целью сотрудничества в рамках проекта Hydrogen Epoch of Reionization Array, или HERA, в котором участвуют Муньос и Лю, используя радиотелескоп в Южной Африке.

Если его удастся обнаружить, этот сигнал поглощения должен иметь тонкие кольцеобразные узоры, о которых Муньос сообщил в 2019 году в журнале Physical Review Letters.

Эти закономерности, лежащие в основе его линейки, являются результатом различий в поведении темной и нормальной материи в еще более ранний период, менее чем через 400 000 лет после Большого взрыва. Звуковые волны, проносящиеся сквозь плазму в то время, могли разогнать нормальную материю до высоких скоростей, в то время как темная материя оставалась в состоянии покоя.

Это несоответствие в скоростях повлияло на то, где формировались галактики в более позднюю эпоху космического рассвета. Чтобы создать галактику, темная материя должна гравитационно втянуть в себя нормальную материю. Но там, где скорости различались, нормальная материя проносилась мимо. В результате в ранней Вселенной остались малонаселенные области неба, расположенные в форме колец с предсказуемой шкалой расстояний. Кольца, которые слишком тонки, чтобы определить их на глаз по данным, но проявляются при статистическом анализе, имеют радиус в полмиллиарда световых лет - это одна длинная измерительная палка.

Новая стандартная линейка может показать, как быстро расширялась Вселенная в те времена. Эта информация может подсказать ученым, из чего состояла та юная Вселенная, выявить количество темной материи, нормальной материи и темной энергии - еще один скрытый фрагмент космической головоломки.

Новое измерение скорости расширения может также подлить масла в огонь одного из самых ожесточенных споров в космологии. В настоящее время различные измерения скорости расширения Вселенной противоречат друг другу, что заставляет ученых задуматься о том, есть ли недостатки в нашем понимании космоса.

Стремление понять неизвестное, включая эти теневые космические сферы, является "неотъемлемым компонентом человеческой природы - как искусство и поэзия", - говорит Муньос. "Вы можете жить без этого, но я очень надеюсь, что вам не придется".

Заглядывая в темные углы.

Интерес Муньоса к темной материи привлек его к космической заре. Первые галактики выросли из темной материи. Поэтому информация о том, как и когда образовались эти галактики, может раскрыть свойства темной материи. Например, в докладе, опубликованном в 2018 году в журнале Nature, Муньос и его коллеги предположили, что если бы часть темной материи Вселенной имела крошечный электрический заряд, составляющий миллионную долю электрона, то это могло бы изменить ожидаемый сигнал космического рассвета.

Он также разработал важные вычислительные инструменты, например, новую технику, позволяющую молниеносно моделировать космический рассвет, о чем было сообщено в мае в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Время, необходимое для проведения таких симуляций, ранее ограничивало возможности ученых.

"У него интересный взгляд на интересные идеи, - говорит физик-теоретик Марк Камионковски из Университета Джонса Хопкинса, консультант Муньоса по докторской диссертации. Но космический правитель - "это, вероятно, самая необычная идея, которая у него была".

Стать физиком само по себе было для Муньоса неизведанной территорией. В детстве ему нравилась наука. Он вспоминает, как его поразили окаменевшие зубы акул, возраст которых исчислялся миллионами лет - возможно, это был его первый опыт работы с такими грандиозными временными масштабами.

Но у Муньоса не было научного примера для подражания: его родители не закончили среднюю школу. Он сосредоточил свое внимание на видеоиграх и кодинге, пока учитель физики в средней школе не поощрил его научную жилку. По его словам, он обратился к физике, где "можно было направить всю эту ботаническую энергию на получение знаний". Именно это побуждает Муньоса исследовать вопросы, которые витают в темных уголках космоса. "Я делаю это, потому что считаю, что ответы обогащают человеческий опыт".

Хулиан Муньос - один из SN 10: Scientists to Watch этого года, нашего списка 10 ученых, находящихся в начале и середине карьеры, которые вносят выдающийся вклад в свою область. Полный список будет опубликован в 2023 году.