На Южном полюсе, где воздух сух и прозрачен для миллиметровых волн, стоит телескоп, который смотрит не на звёзды, а на самый древний свет во Вселенной. Этот свет — космический микроволновый фон, остывшее после Большого взрыва излучение, заполняющее всё небо. В нём, как на старой фотографии, запечатлены крошечные неоднородности температуры — следы квантовых флуктуаций, растянутых инфляцией до космических масштабов.
Телескоп SPT-3G два года собирал этот свет на трёх частотах — 95, 150 и 220 ГГц, покрывая область неба площадью 1646 квадратных градусов, что примерно равно восьми полным Лунам. Учёные измеряли, как сильно температура фона меняется от точки к точке на угловых масштабах от 2 до 13 угловых минут. Эти изменения, или спектр мощности, несут информацию о том, что происходило с излучением по пути к нам: горячий газ в скоплениях галактик слегка подогревает фотоны (эффект Сюняева — Зельдовича), радиоизлучение галактик добавляет свой шум, а пыль в далёких галактиках светится в инфракрасном диапазоне.
Чтобы выделить вклад каждого источника, учёным пришлось строить сложные модели. Оказалось, что результат сильно зависит от того, как именно коррелируют между собой тепловой эффект Сюняева — Зельдовича и космический инфракрасный фон. Когда авторы позволили угловым зависимостям этих сигналов свободно меняться, они получили при ℓ=3000 (что соответствует углу около 3,4 угловой минуты) мощность теплового эффекта 4,91±0,37 мкК² и кинематического эффекта 1,75±0,86 мкК² на частоте 143 ГГц. Эти числа — как отпечатки пальцев, по которым можно опознать, сколько горячего газа было в скоплениях и как быстро он двигался.
Кинематический эффект Сюняева — Зельдовича особенно интересен: он возникает из-за движения скоплений как целого и не зависит от температуры газа. Измерив его мощность, учёные оценили, как долго длилась эпоха реионизации — период, когда первые звёзды и галактики своим ультрафиолетовым излучением ионизовали нейтральный водород, заполнявший Вселенную после остывания. Оказалось, что переход от 25% к 75% ионизации занял меньше, чем Δz=3,8 (по полуаналитической модели), а от 5% к 95% — меньше, чем Δz=6,1 (по симуляциям AMBER). Это означает, что реионизация была довольно быстрой: как если бы зажгли свечу в тёмной комнате, и она осветила всё пространство за короткое время, а не тлела постепенно.
Эти ограничения важны для понимания того, когда и как формировались первые звёзды и галактики. Если реионизация была быстрой, значит, звёзды рождались массово и эффективно ионизовали окружающий газ. Если бы она растянулась на сотни миллионов лет, сценарий был бы иным. Новые данные с SPT-3G сужают поле для теоретиков, заставляя модели ранней Вселенной быть более точными.
Телескоп на Южном полюсе продолжает накапливать данные, и в будущем, добавив ещё годы наблюдений, учёные смогут измерить спектр мощности ещё точнее и, возможно, увидеть тонкие детали, которые пока скрыты за шумом. А пока каждая новая порция данных — это как проявление старой фотографии: изображение становится всё чётче, и мы видим, как выглядела Вселенная в свои первые мгновения.
Телескоп SPT-3G находится на высоте 2,8 км над уровнем моря на Южном полюсе, где воздух настолько сух, что водяной пар почти не мешает наблюдениям в миллиметровом диапазоне.