Гравитационные волны или все же космическая инфляция?

 

Зарегистрированная экспериментом BICEP2 карта B-мод поляризации реликтового излучения (вверху) и результат моделирования без учета первичных гравитационных волн (внизу). Цветом показана интенсивность B-моды поляризации, выраженная в температурных единицах. Различие этих картинок свидетельствует о том, что в ранней Вселенной действительно были первичные гравитационные волны, предсказываемые теорией инфляции. Изображение из обсуждаемой статьи

 

Специализированный телескоп BICEP2, работающий на Южном полюсе и измеряющий поляризацию космического микроволнового излучения, обнаружил реликтовые B-моды поляризации. Их наличие указывает на то, что по ранней Вселенной гуляли сильные гравитационные волны. Они, в свою очередь, могли возникнуть только на стадии инфляции — сверхбыстрого раздувания Вселенной, когда ей было примерно 10–32 секунды от роду. Результаты BICEP2 не только впервые подтверждают важное предсказание инфляционной теории, но и открывают новую главу в наблюдательной космологии — с важными последствиями не только для астрофизики, но и для физики элементарных частиц.

Прежде, чем подробно рассказывать о самой работе, надо исправить некоторое смещение акцента, сделанное во многих СМИ. В них сообщается, что BICEP2 обнаружил гравитационные волны, и это иногда подается как главный результат. Это вовсе не так. В существовании гравитационных волн никто не сомневается, и за их косвенное обнаружение уже присуждена Нобелевская премия по физике за 1993 год. Результат BICEP2 — это тоже косвенное, а не прямое подтверждение существования гравитационных волн. Прямая их регистрация на детекторах гравитационных волн еще не достигнута; эта будущая Нобелевская премия еще ждет своего лауреата.

Намного более важным является то, откуда взялись эти гравитационные волны в ранней Вселенной, что является их источником, о чём они рассказывают. Гравитационные волны здесь выступают в роли инструмента исследования ранней Вселенной, который позволяет заглянуть поверх физических барьеров в ту далекую эпоху, до которой даже близко «не добивают» никакие иные методы наблюдения. Если результат BICEP2 и его интерпретация действительно верны, они дают нам сразу несколько важнейших новых знаний об устройстве нашего мира.

17 марта были обнародованы результаты наблюдательного астрофизического эксперимента BICEP2, который изучает поляризацию реликтового излучения. Реликтовое излучение — это космический микроволновой фон, свет молодой Вселенной, излученный ею в возрасте 380 тыс. лет и несущий в себе отпечатки процессов, происходивших во Вселенной в ту эпоху. Коллаборация BICEP2 обнаружила особые характеристики этого излучения, так называемые поляризационные B-моды (рис. 1), и благодаря им впервые заглянула в еще более раннюю — невообразимо более раннюю! — Вселенную. Результаты были анонсированы на специально созванной пресс-конференции; одновременно с этим вышла подробная научная статья группы, а на сайте эксперимента была выложена вся сопутствующая техническая информация.

В астрофизическом сообществе это сообщение вызвало эйфорию, и она вполне оправданна. Результат BICEP2 — если он действительно подтвердится — впервые открывает возможность экспериментальной проверки свойств Вселенной в эпоху космической инфляции, отстоящую от момента Большого взрыва на ничтожную долю секунды. Теория инфляционной вселенной, остававшаяся до сих пор любопытной, захватывающей воображение, пусть правдоподобной — но всё-таки гипотезой, превратилась в факт биографии нашей реальной Вселенной. Последствия для астрофизики и для физики элементарных частиц — огромны.

Если результат BICEP2 выдержит проверки — как экспериментальные, на других установках, так и теоретические, — он станет самым громким космологическим открытием как минимум с 1998 года, когда было обнаружено ускоренное расширение Вселенной. Более того, это открытие повлияет не только на астрофизику, но и на фундаментальную физику микромира. Для современной физики элементарных частиц, которая сейчас задыхается в плену Стандартной модели, это станет редким глотком свежего воздуха, надеждой на обнаружение Новой физики.

Для понимания контекста открытия, сделанного BICEP2, достаточно рассмотреть рисунок на котором изображены ключевые этапы эволюции Вселенной от момента Большого взрыва и до наших дней по представлениям современной физики.

 

Ключевые вехи эволюции Вселенной от Большого взрыва и до наших дней. Верхняя часть рисунка показывает гравитационные волны и неоднородности плотности вещества, порожденные инфляцией на самой ранней стадии возникновения Вселенной.

 

 

Проект BICEP с самого начала отличался от других «охотников» за B-модами тем, что он не многоцелевой, а специально «заточен» для этого поиска и обнаружения сигнала от первичных гравитационных волн. Такой специализированный проект, конечно, подразумевал немалую долю «научного риска» — либо будет громкое открытие, либо ничего.

Сама по себе установка BICEP2 представляет собой очень скромный по размерам телескоп-рефрактор, способный «разглядеть» участок неба размером в несколько десятков градусов. Апертура его оптической системы составляет всего 26 см против многих метров у телескопов-гигантов. Однако настроен этот телескоп не на оптическое, а на микроволновое излучение частоты 150 ГГц и нацелен он на поляризацию этого излучения. В фокальной плоскости телескопа расположен специальным образом собранный массив из 512 микроскопических антенных детекторов (рис. 8). В них электромагнитная волна вызывает тепловой отклик, который регистрируется столь же микроскопическими сверхпроводящими термометрами. Вся установка помещена в резервуар с жидким гелием, а фокальная плоскость поддерживается при температуре 0,27 К. Выбор местоположения обусловлен тем, что здесь имеются отличные условия для наблюдения за микроволновым фоном: атмосфера разрежена, погода всегда ясная, электромагнитные шумы очень низки из-за удаленности от цивилизации.

Матрица микроскопических антенных детекторов поляризации микроволнового излучения, расположенная в фокальной плоскости телескопа BICEP2.

 

 

Изучение поляризации микроволнового излучения требует от детектора очень высокой чувствительности. Температура реликтового излучения составляет 2,7 К, но в целом это излучение очень изотропно, амплитуда неоднородностей температуры (пятен на рис. 3) составляет всего долю милликельвина. Поляризация, которая ими вызывается, и того меньше — если ее пересчитать в температуру, то получаются считанные микрокельвины. А значит, B-моды, которые представляют собой еще более тонкий эффект, требуют чувствительности в десятые доли микрокельвина. BICEP2 с этой задачей успешно справляется: его погрешность в измерении поляризационной карты за три года наблюдений составила 87 нК.

Ну а астрофизикам-теоретикам сейчас настоящее раздолье. Можно пытаться объяснять в рамках разных теорий измеренную интенсивность реликтовых гравитационных волн. Можно делать новые конкретные предсказания для экспериментов. Можно проявлять здоровый скептицизм и пытаться выяснить, не является ли обнаруженный эффект хитрым проявлением какого-то обычного астрофизического процесса. И этот ажиотаж уже начался — в архиве е-принтов сейчас появляется по несколько статей в день, посвященных осмыслению и использованию результата BICEP2. Огромный интерес сохранится, а возможно и усилится, в ближайшие год-два, когда подоспеют и другие измерения.

Источник: BICEP2 Collaboration, BICEP2 I: Detection Of B-mode Polarization at Degree Angular Scales // е-принт arXiv:1403.3985 [astro-ph.CO].

Дополнительная техническая информация:
1) BICEP2 Collaboration. BICEP2 II: Experiment and Three-Year Data Set // е-принт arXiv:1403.4302 [astro-ph.CO]. 
2) BICEP2 2014 Results Release — сайт коллаборации с подробной технической информацией об эксперименте и его результатах.
3) W. Hu, M. White. A CMB Polarization Primer, е-принт astro-ph/9706147 — вводный обзор про поляризацию реликтового излучения и его измерение.

Популярные материалы: 
1) А. Линде. Многоликая Вселенная, публичная лекция фонда «Династия».
2) CMB Tutorials — подборка вводных материалов про реликтовое излучение.
3) Серия популярных заметок в блоге Матта Стресслера про результат BICEP2 и его значение.

Игорь Иванов

Share

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *