Закипающее молоко покрывается дрожащей пенкой. По её движениям можно угадать силу огня под кастрюлей и жирность молока. Похожим образом астрофизики всматриваются в древнее микроволновое излучение — самый старый свет, дошедший до нас от эпохи, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Это излучение не идеально гладкое: на нём есть рябь, крошечные перепады температуры. И эта рябь хранит память о том, что творилось в самые первые мгновения.
В те времена пространство заполнял целый рой лёгких, почти неуловимых частиц — нейтрино и, возможно, других, ещё не открытых. Они носились с огромными скоростями, сталкивались, разлетались и своей общей энергией влияли на то, как остывала и расширялась Вселенная. След этого влияния отпечатался в ряби микроволнового фона. Главная задача — измерить, сколько именно таких частиц было. Физики называют это параметром Neff. Если он окажется чуть больше трёх, значит, в природе есть что-то помимо трёх известных сортов нейтрино.
Новая работа посвящена будущему эксперименту CMB-S4 — сети телескопов, которые будут годами сканировать небо в поисках этой ряби. Авторы просчитали, с какой точностью разные варианты расположения телескопов смогут измерить Neff. Лучшая из рассмотренных схем за семь лет наблюдений достигнет погрешности меньше 0,03. Этого достаточно, чтобы надёжно засечь даже один новый тип частиц-невидимок. Для сравнения они также рассчитали идеальный, недостижимый на практике предел — что можно было бы увидеть, если бы телескопы улавливали весь возможный сигнал без помех. Это показывает, куда ещё можно расти.
Такой точный замер Neff — не просто охота за рекордом. Он связывает воедино несколько эпох: первые доли секунды, когда рождались частицы; первые минуты, когда из протонов и нейтронов начали собираться ядра лёгких элементов; и те 380 тысяч лет, когда свет наконец смог свободно лететь сквозь остывшее пространство. Вернувшись к нашей кастрюле: по дрожи молочной пенки теперь можно будет сказать не только о силе огня, но и о том, не было ли в молоке секретного ингредиента, добавленного в самом начале.
Нейтрино настолько вездесущи, что каждую секунду через ноготь вашего большого пальца пролетает около 100 миллиардов этих частиц от Солнца, но вы этого не замечаете.