Космічний мікрохвильовий фон (КМФ) — це залишкове випромінювання Всесвіту, яке з'явилося приблизно 380 тисяч років після Великого взриву, коли Всесвіт охолов достатньо, щоб стати прозорим для світла. Його спектр майже ідеально відповідає тепловому випромінюванню абсолютно чорного тіла з температурою близько 2,7 кельвіна. Але "майже" — ключове слово. Найдрібніші відхилення цього спектра від ідеальної кривої несуть у собі інформацію про процеси, які відбувалися у Всесвіті задовго до появи перших зірок, а також про гарячий газ у пізніші епохи. Саме ці відхилення, або спектральні викривлення, планує вимірювати запропонована місія FOSSIL.

Проект описано у препринті на arXiv. Це пропозиція космічної місії, тобто йдеться про концепцію, яка ще не будується і не запущена, а розроблена як план майбутнього приладу.

Що саме вимірюватиме FOSSIL

Місія орієнтована на абсолютну спектроскопію — тобто на вимірювання не просто відхилень температури в різних точках неба, а точної інтенсивності випромінювання неба в широкому діапазоні частот, від 50 ГГц до 2 ТГц. Прилад матиме 130 спектральних каналів, що дозволить розрізняти тонкі особливості форми спектра.

Основні цілі — три типи спектральних викривлень КМФ. Мю-тип виникає, коли в дуже ранньому Всесвіті (задовго до формування самого КМФ) відбувалося енерговиділення, яке порушувало тепловий баланс фотонів. Комптонівський y-тип, включно з релятивістською поправкою, — слід від розсіювання фотонів КМФ на гарячому газі пізніших епох, зокрема в скупченнях галактик і в міжгалактичному середовищі. За задумом авторів, монопольна чутливість FOSSIL (тобто чутливість до усередненого по всьому небу сигналу) буде приблизно на три порядки (тисячу разів) кращою, ніж у місії COBE/FIRAS — досі найточнішого вимірювання спектра КМФ, зробленого ще у 1990-х роках.

Чому це важливо

Спектральні викривлення КМФ — один із небагатьох способів "заглянути" в епохи Всесвіту, які недоступні звичайним спостереженням анізотропії температури КМФ або великомасштабної структури галактик. Зокрема, вони чутливі до первинних флуктуацій густини на дуже дрібних масштабах — приблизно від k=10 до k=10^4 оберненого мегапарсека. Це масштаби, які згладжуються в реліктовому випромінюванні через дифузію фотонів і тому недоступні класичним картам анізотропії КМФ, але саме на них можуть проявлятися ефекти, важливі для перевірки моделей інфляції.

Крім космологічних тестів раннього Всесвіту, спектральні викривлення чутливі до фізики темної матерії — зокрема до її можливої анігіляції, розпаду чи взаємодії з фотонами й баріонною речовиною, — а також до сценаріїв формування зародків первинних чорних дір. Ще одна ціль — вимірювання загального теплового енергетичного вмісту Всесвіту, що дозволяє точніше визначити моделі зворотного зв'язку (feedback) у формуванні галактик і структур — процеси, коли енергія від зірок чи активних ядер галактик впливає на навколишній газ і подальше зореутворення.

Побічна наукова цінність

Хоча основна мета FOSSIL — космологія раннього Всесвіту, широкий частотний діапазон і високе спектральне розрізнення (130 каналів) роблять місію корисною і для іншої астрофізики. Серед заявлених застосувань — точна характеристика космічного інфрачервоного фону (сукупного випромінювання далеких галактик, які неможливо розрізнити окремо), картографування спектральних ліній під час так званого "космічного полудня" — епохи, коли зореутворення у Всесвіті було на піку, — а також детальне картографування пилу в Чумацькому Шляху, що важливо і для космологічних досліджень (пил заважає спостереженням КМФ), і для вивчення самої Галактики.

Наскільки впевнені в результаті

Варто наголосити, що FOSSIL наразі — це проєктна пропозиція, описана в препринті, а не діюча чи затверджена місія. Заявлені параметри чутливості й кількості каналів — це цілі концепції, а не результати вже проведених вимірювань. Втім, орієнтир COBE/FIRAS як точки відліку і конкретні числові цілі (тисячократне покращення чутливості, діапазон частот, кількість каналів) свідчать про доволі детально продуману інженерну концепцію, яка спирається на десятиліття досвіду попередніх місій, що вивчали КМФ.