Планк-2015

Европейское космическое агентство обнародовало 5 февраля обширный массив материалов, основанных на обработке и анализе данных, собранных аппаратурой космической обсерватории «Планк». Профессор физики Принстонского университета Лайман Пейдж (Lyman Page, http://phy-page-imac.princeton.edu/~page/), известный специалист по космологическим наблюдениям, член Национальной академии наук США и лауреат премии Шао Ифу, в беседе с научным журналистом из Вашингтона Алексеем Левиным прокомментировал этот новый транш планковской информации.

— Реликтовое излучение активно изучают уже свыше тридцати лет (а если отсчитывать от его открытия, то и более полувека). Неужели этот источник сведений об устройстве мироздания до сих пор не исчерпан?

— Ну, во-первых, мы год от года всё точнее измеряем характеристики реликтовых фотонов. Во-вторых, за этими измерениями стоит очень незамутненная физика. Большая часть наших заключений основана на возможности описывать космологические возмущения в рамках линейной теории. Такие вычисления можно делать с большой точностью, и это дает возможность сравнивать результаты со всё более точными измерениями параметров реликтового излучения. Можно допустить, что когда-нибудь темпы извлечения информации из потока реликтовых фотонов замедлятся из-за необходимости принимать в расчет источники электромагнитных волн в нашей Галактике. Но этот момент еще не наступил.

— В чем Вы видите самые важные моменты последних отчетов о работе «Планка»?

— Главное, думаю, в том, что они вновь подтвердили правильность стандартной космологической теории, или, как еще говорят, ΛCDM-модели. Она объясняет свойства Вселенной на основе всего лишь шести параметров, которые определяются из наблюдений. Ее испытывают на прочность уже много лет, и каждый раз она выдерживает экзамен. Прецизионные результаты «Планка» позволили заново найти значения параметров модели, однако они не содержат ни малейших указаний на то, что сама она нуждается в пересмотре. Это похоже на чудо: для описания Вселенной хватает, по сути, очень простой модели всего лишь с шестью параметрами. Конечно, мы так считали и раньше, но «Планк» это удостоверил еще раз, причем с непревзойденной точностью. И вот это действительно поражает.

— Первый отчет о результатах «Планка» был опубликован почти два года назад. В чем главное отличие нынешних публикаций?

— Если так можно выразиться, новые результаты гораздо чище. Два года назад команда «Планка» не смогла с должной полнотой выявить источники систематических погрешностей. Эта работа не закончена и сейчас, но всё же многие причины возможных ошибок теперь устранены. Кроме того, сейчас для анализа первичных данных использовались более продвинутые методы. Поэтому объявленные результаты выглядят надежней.

— А на сколько успешней теперь откалиброваны инструменты?

— Примерно на 1,2%. Я бы не назвал это заметным улучшением, но важно то, что новые результаты куда лучше согласуются друг с другом. И это, конечно, укрепляет доверие как к ним самим, так и к стандартной модели.

Такой исход вовсе не был гарантирован. Вполне могло случиться и так, что информация с «Планка» поставила бы на повестку дня пересмотр ΛCDM-модели. Пока, как видим, этого не произошло.

— Итак, стандартная модель остается в силе. Но ведь результаты «Планка» не сводятся к ее очередной верификации?

— Разумеется, нет. Обсерватория просмотрела всю небесную сферу на предмет определения поляризации реликтового излучения. Информация, которую дают такие измерения, не менее важна, нежели данные по температуре реликтовых фотонов, и совершенно от них независима. Поэтому она дает возможность углубить наше понимание как тех физических процессов, которые происходили в космосе в далеком прошлом, так и тех, что имеют место в нашу эпоху.

«Планк» также прислал обширные данные о скоплениях галактик, которые представляют большой интерес для космологии. Выводы, которые можно сделать на их основе, не согласуются с рядом заключений, которые вытекают из исследования реликтового излучения. Различия не слишком велики и не обладают высокой достоверностью, но они имеются. Чтобы их объяснить, понадобится побольше узнать о галактических кластерах. Только после этого можно будет сказать, проглядывает ли за этими расхождениями какая-то новая физика, или же они вызваны иными причинами.

— А как Вы сами считаете?

— Думаю, что дело все-таки в кластерах. Это очень сложные структуры, и мы пока знаем о них не так уж много. Однако их очень серьезно изучают, и буквально каждый год мы узнаем что-то новое. Я надеюсь, что на этом пути противоречия будут устранены.

— Что еще заслуживает упоминания?

— «Планк» произвел великолепные измерения гравитационного линзирования реликтовых фотонов. Эти результаты позволяют по-новому определить распространение гравитирующей материи в космическом пространстве. Такое картирование космических масс дополняет картирование температуры реликтовых фотонов, которое уже дало богатейшую информацию о Вселенной. Эта работа еще далеко не закончена, но пока всё вы-глядит так, что стандартной модели и с этой стороны ничего не угрожает.

Команда «Планка» планирует опубликовать еще одну серию сообщений — возможно, уже в конце нынешнего года. Я не сомневаюсь, что они окажутся не менее интересными, чем уже опубликованные доклады. Не исключено, например, что удастся обнаружить наконец следы гравитационных волн, рожденных на стадии инфляционного расширения Вселенной. Да мало ли что еще может случиться!

— А что будет после «Планка»?

— Появятся — и уже появляются — данные от новых инструментов. Так, в чилийской пустыне Атакама наблюдения за реликтовым излучением уже несколько лет ведет шестиметровый телескоп, установленный на пятикилометровой высоте. Еще один телескоп диаметром 10 м работает на Южном полюсе. По степени чувствительности они не уступают «Планку», а их угловое разрешение гораздо выше. Есть и другие проекты. В общем, продолжение следует.

«Планк» (Planck)

Космическая обсерватория «Планк» была запущена в космос 14 мая 2009 года и к 3 июля достигла расчетной околосолнечной орбиты вблизи второй точки Лагранжа. Станция находилась в рабочем состоянии в течение без малого 4,5 года — до октября 2013-го.

Главная задача обсерватории состояла в детальном промере температурной и поляризационной анизотропии реликтового излучения. Ее инструменты позволяли проводить эти измерения по всей небесной сфере в девяти частотных полосах, лежащих в диапазоне от 30 до 857 ГГц (пик интенсивности реликтового излучения приходится на частоту 160,2 ГГц). Другие задачи включали составление каталога галактических скоплений, наблюдение отклонений реликтовых фотонов в локальных полях тяготения (так называемое гравитационное линзирование), регистрацию источников радиоволн и инфракрасного излучения, лежащих вне нашей Галактики, наблюдение внутригалактических структур и сбор информации о планетах, кометах и астероидах Солнечной системы.

Первые снимки, сделанные аппаратурой «Планка», опубликованы 17 марта 2010 года. Через три года его команда обнародовала первый большой отчет о результатах всенебосводного сканирования реликтового излучения, которые, в частности, позволили уточнить возраст Вселенной и доли обычного (барионного) вещества, темной материи и темной энергии в ее составе. Второй отчет был впервые представлен 1 декабря 2014 года на научной конференции в Ферраре, а 5 февраля сделан всеобщим достоянием.

Микроволновый фон

Реликтовое микроволновое излучение — самое совершенное воплощение излучения чернотельного типа с температурой 2,725 К, спектр которого дается знаменитой формулой, написанной в 1900 году Максом Планком. Ни одна лабораторная установка не генерирует тепловые фотоны так, чтобы их спектр настолько точно соответствовал планковскому распределению.

Однако и это космическое излучение все-таки не полностью изотропно. Температура реликтовых фотонов, приходящих с разных направлений, отличается на тысячные доли процента. Это выглядит как небольшие вкрапления со своей собственной локальной температурой и поляризацией. Их совокупность хранит уникальную информацию о Вселенной на разных стадиях ее эволюции — от самой ранней до современной. Поэтому исследование реликтового излучения стало мощнейшим инструментом астрономии, астрофизики и космологии. Степень чувствительности болометров, которые используются для измерения температуры и поляризации реликтовых фотонов, постоянно растет и сейчас достигла уровня в десятки нанокельвинов.