Современная космология опирается на широкую совокупность наблюдательных данных, полученных с помощью наземных и орбитальных телескопов, радиоинтерферометров, гравитационно-волновых детекторов и спутниковых обсерваторий. Эти данные позволяют количественно описывать структуру, динамику и эволюцию Вселенной. Основные источники информации включают:
Каждое из этих направлений дало ключевые ограничения на космологические параметры и углубило наше понимание фундаментальных процессов в ранней и поздней Вселенной.
Одним из важнейших источников данных о ранней Вселенной является космическое микроволновое фоновое излучение (КМИ), открытое Пензиасом и Уилсоном в 1965 году. Современные карты анизотропий КМИ, полученные спутниками COBE, WMAP и Planck, обеспечивают высокоточную информацию о флуктуациях плотности на момент рекомбинации (~380 000 лет после Большого взрыва).
Анализ спектра угловой мощности КМИ позволяет извлекать такие параметры, как:
Наблюдаемая изотропность и квазигомогенность подтверждают космологический принцип, а мелкие отклонения несут информацию о квантовых флуктуациях, растянутых инфляцией.
Наблюдения сверхновых типа Ia, являющихся стандартными свечами, сыграли ключевую роль в открытии ускоренного расширения Вселенной (1998). Сравнение красного смещения и светимости сверхновых позволило установить, что в последние несколько миллиардов лет Вселенная расширяется с ускорением. Это открытие привело к введению концепции тёмной энергии как доминирующего компонента космологической плотности.
Для сверхновых строятся диаграммы Хаббла (зависимость светимости от красного смещения), из которых извлекаются следующие параметры:
Совокупность наблюдений указывает на значение w ≈ -1, что соответствует космологической постоянной Λ в модели ΛCDM.
Барионные акустические осцилляции (BAO) — это следы звуковых волн в ранней Вселенной, запечатлённые в распределении галактик. Эти осцилляции создают характерный пик в двухточечной корреляционной функции распределения галактик на масштабе порядка 150 Мпк. BAO играют роль стандартной линейки, позволяя калибровать зависимость расстояния от красного смещения.
Измерения BAO были осуществлены проектами SDSS, BOSS, eBOSS, и используются в совокупности с данными КМИ и сверхновых для уточнения космологических параметров. Современные наблюдения подтверждают результаты КМИ и демонстрируют согласованность с моделью ΛCDM.
Изучение распределения галактик и галактических скоплений на космологических масштабах даёт представление о спектре флуктуаций плотности. Пространственное распределение галактик сопоставляется с предсказаниями линейной теории роста возмущений и нелинейной эволюции структуры.
Один из ключевых инструментов — спектр мощности P(k), где k — волновое число. Этот спектр сравнивают с предсказаниями инфляционных моделей и моделей тёмной материи.
Крупномасштабные обзоры, такие как 2dFGRS, SDSS, а также наблюдения слабого гравитационного линзирования, позволили количественно оценить параметры роста структуры и нормировку σ8, отражающую дисперсию флуктуаций на масштабах 8 Мпк.
Гравитационное линзирование представляет собой искривление света от удалённых объектов массой промежуточных структур. Различают:
Слабое линзирование предоставляет информацию о распределении массы независимо от её природы (барионной или тёмной). Оно позволяет картировать гравитационный потенциал Вселенной и отслеживать рост структуры. Современные проекты DES, KiDS, HSC дают важные ограничения на параметры σ8 и Ωm.
Постоянная Хаббла H0 измеряется различными методами:
Возникшее расхождение между локальными измерениями H0 (Riess et al.) и космологическими оценками (Planck) стало известно как кризис постоянной Хаббла. Это может указывать либо на систематические ошибки, либо на необходимость модификации модели ΛCDM.
С открытия в 2015 году гравитационных волн от слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд (обсерватории LIGO и Virgo) началась новая эпоха наблюдательной космологии. Такие события позволяют:
Будущие обсерватории LISA, Einstein Telescope, а также пульсарные тайминговые массивы (например, NANOGrav) дадут доступ к гравитационным волнам в других диапазонах и помогут исследовать инфляционные и фазовые переходы в ранней Вселенной.
Космология сегодня становится мультисвязной: данные из разных наблюдательных каналов — электромагнитного, гравитационного, нейтринного — интегрируются для построения наиболее точной модели Вселенной. Примеры современных проектов:
Эти инструменты обеспечат беспрецедентную точность в измерениях, позволят проверить космологические модели на новых уровнях и, возможно, приведут к открытию новой физики за пределами Стандартной модели.