Реликтовые гравитационные волны

BICEP2 (на переднем плане) и южнополярный телескоп SPT (South Pole Telescope) на фоне заката. Фото Steffen Richter (Harvard University) с сайта www.cfa.harvard.edu

BICEP2 (на перед­нем плане) и южно­по­ляр­ный теле­скоп SPT (South Pole Telescope) на фоне зака­та. Фото Steffen Richter (Harvard University) с сай­та www.cfa.harvard.edu

Послед­ний штрих в кар­тине про­ис­хож­де­ния Все­лен­ной?

17 мар­та 2014 года появи­лась сен­са­ци­он­ная новость: откры­ты гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны! Те СМИ, что посе­рьез­ней, уточ­ни­ли, что речь идет об откры­тии релик­то­вых, или пер­вич­ных, гра­ви­та­ци­он­ных волн, а под­твер­жде­ние их суще­ство­ва­ния полу­че­но не пря­мым, а кос­вен­ным путем, через мик­ро­вол­но­вое релик­то­вое излу­че­ние. Самые про­дви­ну­тые доба­ви­ли, что откры­тие под­твер­жда­ет тео­рию кос­мо­ло­ги­че­ской инфля­ции, объ­яс­ня­ю­щей про­ис­хож­де­ние Все­лен­ной. Что же про­изо­шло и како­во зна­че­ние воз­мож­но­го откры­тия?

Фокальная плоскость радиотелескопа BICEP2, состоящего из 512 сверхпроводящих СВЧ- детекторов, разработанных и из готовленных в Лаборатории реактив ного дви жения NASA . Фото NASA /JPL-Caltech с сайта www.jp l.nasa.gov

Фокаль­ная плос­кость радио­те­ле­ско­па BICEP2, состо­я­ще­го из 512 сверх­про­во­дя­щих СВЧ-
детек­то­ров, раз­ра­бо­тан­ных и изго­тов­лен­ных в Лабо­ра­то­рии реак­тив­но­го дви­же­ния NASA. Фото NASA /JPL-Caltech с сай­та www.jp l.nasa.gov

Вопро­сы, постав­лен­ные пер­вой кос­мо­ло­ги­че­ской рево­лю­ци­ей

Тот факт, что Все­лен­ная воз­ник­ла в резуль­та­те Боль­шо­го взры­ва, был пре­крас­ным обра­зом под­твер­жден в 1964 году, когда заре­ги­стри­ро­ва­ли релик­то­вое излу­че­ние. Соб­ствен­но, и до это­го мало кто сомне­вал­ся, но вот это откры­тие поста­ви­ло жир­ную точ­ку. Так закон­чи­лась пер­вая кос­мо­ло­ги­че­ская рево­лю­ция, начав­ша­я­ся в 1915 году постро­е­ни­ем общей тео­рии отно­си­тель­но­сти.

Любая науч­ная рево­лю­ция реша­ет одни вопро­сы и ста­вит дру­гие. Новые вопро­сы были очень про­сты­ми и одно­вре­мен­но обес­ку­ра­жи­ва­ю­щи­ми:

  • Поче­му Все­лен­ная со всех сто­рон оди­на­ко­вая? Ведь раз­ные части Все­лен­ной какое-то вре­мя после Боль­шо­го взры­ва ниче­го «не зна­ли» друг о дру­ге — они не мог­ли обме­нять­ся ника­ки­ми сиг­на­ла­ми из-за конеч­но­сти ско­ро­сти све­та, ины­ми сло­ва­ми, не были при­чин­но свя­за­ны. Поче­му же они нача­ли рас­ши­рять­ся одно­вре­мен­но и ока­за­лись столь похо­жи­ми?
  • Поче­му пара­мет­ры Боль­шо­го взры­ва ока­за­лись так точ­но подо­гна­ны, что Все­лен­ная не схлоп­ну­лась в пер­вые мгно­ве­ния или не раз­ле­те­лась вдре­без­ги, а мяг­ко «при­тор­мо­зи­ла» через мил­ли­ар­ды лет? Чуть более стро­го вопрос зву­чит так: поче­му Все­лен­ная ока­за­лась настоль­ко «плос­кой»?
  • Что послу­жи­ло пер­вич­ным толч­ком для Боль­шо­го взры­ва?

Есть и дру­гие вопро­сы, но они уже выхо­дят за рам­ки газет­ной ста­тьи и тре­бу­ют для изло­же­ния пол­но­цен­ной кни­ги, како­вая, наде­ем­ся, вско­ре будет пред­став­ле­на чита­те­лям.

8.2

Вто­рая кос­мо­ло­ги­че­ская рево­лю­ция

В нача­ле 1980-х годов был най­ден прав­до­по­доб­ный ответ на пере­чис­лен­ные выше вопро­сы. За мгно­ве­ние до Боль­шо­го взры­ва про­изо­шло раз­ду­ва­ние неко­е­го мик­ро­ско­пи­че­ско­го заро­ды­ша Все­лен­ной на десят­ки поряд­ков вели­чи­ны. Меха­низм тако­го раз­ду­ва­ния зало­жен в урав­не­ни­ях общей тео­рии отно­си­тель­но­сти. Он рабо­та­ет, когда про­стран­ство запол­не­но одно­род­ным ска­ляр­ным полем с огром­ной плот­но­стью энер­гии. Или, что почти то же самое, — когда плот­ность энер­гии ваку­у­ма огром­на. При этом рас­ши­ре­ние Все­лен­ной про­ис­хо­дит по экс­по­нен­ци­аль­но­му зако­ну: в каж­дый опре­де­лен­ный про­ме­жу­ток вре­ме­ни рас­сто­я­ние меж­ду любы­ми  дву­мя точ­ка­ми удва­и­ва­ет­ся. При­чем вре­мя удво­е­ния выра­жа­ет­ся немыс­ли­мо малой вели­чи­ной типа 10–37 с. Этот про­цесс назы­ва­ет­ся кос­мо­ло­ги­че­ской инфля­ци­ей (англий­ское сло­во «inflation», извест­ное нам из эко­но­ми­ки, пере­во­дит­ся как «раз­ду­ва­ние»).

Что­бы инфля­ция сде­ла­ла свою рабо­ту по сотво­ре­нию боль­шой одно­род­ной Все­лен­ной, доста­точ­но 10–35 с. После это­го ска­ляр­ное поле, или «тяже­лый ваку­ум», выго­ра­ет, пре­вра­ща­ясь в части­цы, — это и есть Боль­шой взрыв — обра­зо­ва­ние горя­чей Все­лен­ной, кото­рая про­дол­жа­ет рас­ши­рять­ся по инер­ции и осты­вать. Одно­род­ность и «плос­кая» гео­мет­рия (а зна­чит, и дол­гое буду­щее Все­лен­ной) при этом обес­пе­чи­ва­ют­ся авто­ма­ти­че­ски. Это и есть «пер­вич­ный тол­чок», при­чем имен­но такой, что отве­ча­ет на постав­лен­ные вопро­сы.

Геро­я­ми вто­рой кос­мо­ло­ги­че­ской рево­лю­ции ста­ли Алек­сей Ста­ро­бин­ский, раз­ра­бо­тав­ший исто­ри­че­ски первую жиз­не­спо­соб­ную модель инфля­ции, Алан Гут (Alan Guth), раз­ра­бо­тав­ший и очень хоро­шо моти­ви­ро­вав­ший сце­на­рий инфля­ции, кото­рый «пошел в народ» и фак­ти­че­ски сме­нил кос­мо­ло­ги­че­скую пара­диг­му (хоть и был непра­виль­ным в кон­крет­ной реа­ли­за­ции), и Андрей Лин­де, кото­рый довел тео­рию инфля­ции до ума и сде­лал сле­ду­ю­щий шаг.

Этот шаг заклю­чал­ся в откры­тии доволь­но оче­вид­но­го фак­та: про­цесс инфля­ции не закан­чи­ва­ет­ся фор­ми­ро­ва­ни­ем Все­лен­ной, а про­дол­жа­ет­ся веч­но, рож­дая бес­ко­неч­ное чис­ло все­лен­ных, похо­жих и совер­шен­но не похо­жих друг на дру­га. Есть и дру­гие герои исто­рии, но здесь как все­гда воз­ни­ка­ет про­бле­ма, где под­во­дить чер­ту.

Аспирант Юстус Бреви к проверяет считывающую электронику BICE P2. Фото Steffen Richter (Harvard University) с сайта www.cfa.harvard.edu

Аспи­рант Юстус Бре­вик про­ве­ря­ет счи­ты­ва­ю­щую элек­тро­ни­ку BICEP2. Фото Steffen Richter (Harvard University) с сай­та www.cfa.harvard.edu

Рябь Все­лен­ной

Релик­то­вое излу­че­ние, обна­ру­жен­ное в 1964 году, не что иное, как свет, испу­щен­ный плаз­мой, запол­няв­шей Все­лен­ную, когда ей было 380 тыс. лет от роду. В тот момент плаз­ма пре­вра­ти­лась в ней­траль­ный газ, про­зрач­ный для фото­нов. Гово­ря по-науч­но­му, про­изо­шла реком­би­на­ция. Плаз­ма на отмет­ке 380 тыс. лет закры­ва­ет всё, что даль­ше от нас по вре­ме­ни и по рас­сто­я­нию, — она не про­зрач­на для элек­тро­маг­нит­ных волн, а дру­гие мы реги­стри­ро­вать не можем. Эта плаз­ма как экран, и у нас есть сни­мок это­го экра­на — кар­та релик­то­во­го излу­че­ния. Что мы видим на этой кар­те? Почти трид­цать лет на ней не виде­ли ниче­го.

Все­лен­ная одно­род­на толь­ко на очень боль­ших мас­шта­бах — 300 млн све­то­вых лет и боль­ше. А на мень­ших мы видим скоп­ле­ния и сверх­скоп­ле­ния галак­тик, «сте­ны» и «вой­ды». Отку­да взя­лась эта струк­ту­ра? Если бы Все­лен­ная была изна­чаль­но совер­шен­но одно­род­ной, то она бы не смог­ла обра­зо­вать­ся. Долж­ны быть затра­воч­ные неод­но­род­но­сти, кото­рые впо­след­ствии сгу­сти­лись в галак­ти­ки и их скоп­ле­ния. И эти неод­но­род­но­сти долж­ны быть вид­ны на кар­те релик­то­во­го излу­че­ния. Но дол­гое вре­мя, вплоть до нача­ла 1990-х, кар­та пред­ста­ва­ла совер­шен­но одно­род­ной, лишен­ной каких-либо дета­лей. В какой-то момент каза­лось, что кос­мо­ло­гия зашла в тупик. В нача­ле 1990-х, нако­нец, уви­де­ли «пят­ни­стость» кар­ты. Ее кон­траст был очень малень­ким, все­го 10-5, но вполне доста­точ­ным для объ­яс­не­ния струк­ту­ры Все­лен­ной. Как воз­ник­ли эти неод­но­род­но­сти?

BICEP2 (на переднем плане) и южнополярный телескоп SPT (South Pole Telescope) на фоне заката. Фото Steffen Richter (Harvard University) с сайта www.cfa.harvard.edu

BICEP2 (на перед­нем плане) и южно­по­ляр­ный теле­скоп SPT (South Pole Telescope) на фоне зака­та. Фото Steffen Richter (Harvard University) с сай­та www.cfa.harvard.edu

Ока­зы­ва­ет­ся, это тоже сде­ла­ла инфля­ция. Неод­но­род­но­сти, из кото­рых сгу­сти­лись галак­ти­ки и их скоп­ле­ния, — резуль­тат кван­то­во­го эффек­та. Гигант­ские скоп­ле­ния галак­тик — резуль­тат кван­то­вых флук­ту­а­ций, имев­ших место во вре­мя инфля­ции! Зву­чит неве­ро­ят­но, и когда-то мно­гие кос­мо­ло­ги отка­зы­ва­лись при­зна­вать то, что сей­час счи­та­ет­ся обще­при­ня­той вещью. Дей­стви­тель­но, все неод­но­род­но­сти Все­лен­ной воз­ник­ли как кван­то­вые флук­ту­а­ции раз­ме­ром 10-27 см, кото­рые затем были рас­тя­ну­ты инфля­ци­ей на мно­го поряд­ков вели­чи­ны. Потом они вырос­ли в раз­ме­ре еще почти на 30 поряд­ков вме­сте с рас­ши­ря­ю­ще­е­ся Все­лен­ной, неко­то­рые — до мега­пар­се­ков, ста­ли более кон­траст­ны­ми за счет гра­ви­та­ци­он­ной неустой­чи­во­сти и скон­ден­си­ро­ва­лись в галак­ти­ки и их скоп­ле­ния.

Рис. 1. Спектр мощности неоднородностей температуры реликтового из лучения по данным «Планка» (ESO 2013)

Рис. 1. Спектр мощ­но­сти неод­но­род­но­стей тем­пе­ра­ту­ры релик­то­во­го излу­че­ния по дан­ным «План­ка» (ESO 2013)

Пред­ска­за­ния тео­рии инфля­ции в точ­но­сти под­твер­ди­лись, когда кар­та  релик­то­во­го излу­че­ния была сня­та с высо­чай­шим каче­ством аппа­ра­та­ми WMAP и «Планк». Это про­изо­шло недав­но: ито­го­вые резуль­та­ты WMAP опуб­ли­ко­ва­ны в кон­це 2012 года, а пер­вые резуль­та­ты «План­ка» – в нача­ле 2013-го. Согла­сие тео­рии и наблю­де­ний ока­за­лось три­ум­фаль­ным. На рис. 1 пока­зан так назы­ва­е­мый спектр мощ­но­сти неод­но­род­но­стей релик­то­во­го излу­че­ния, кото­рый полу­ча­ет­ся при раз­ло­же­нии кар­ты релик­то­во­го излу­че­ния по угло­вым гар­мо­ни­кам. Вол­ны на этом спек­тре – резуль­тат инте­рес­но­го эффек­та под назва­ни­ем «Саха­ров­ские осцил­ля­ции», или «Аку­сти­че­ские осцил­ля­ции», – ему посвя­ще­на наша с Вале­ри­ем Руба­ко­вым ста­тья в ТрВ-Нау­ка № 83 от 19 июля 2011 года. Согла­сие меж­ду тео­ри­ей (непре­рыв­ная кри­вая) все­го с шестью под­го­ноч­ны­ми пара­мет­ра­ми со столь слож­ной наблю­да­е­мой кар­ти­ной про­сто пора­зи­тель­но. Оно озна­ча­ет, что кос­мо­ло­ги очень хоро­шо пони­ма­ют, что и как про­ис­хо­ди­ло в ран­ней Все­лен­ной. И часть тео­рии, опи­сы­ва­ю­щей дан­ные, завя­за­на как раз на кос­мо­ло­ги­че­скую инфля­цию. Эта часть – спектр пер­вич­ных неод­но­род­но­стей, гене­ри­ру­е­мых инфля­ци­ей, кото­рый был впер­вые вычис­лен Вяче­сла­вом Муха­но­вым и Ген­на­ди­ем Чиби­со­вым в 1981 году. Так что три­ум­фаль­ное согла­сие тео­рии и экс­пе­ри­мен­та на рис. 1 явля­ет­ся так­же и три­ум­фом тео­рии инфля­ции.

Но кар­ти­на оста­лась неза­кон­чен­ной: под­твер­ди­лось лишь то, что каса­лось так назы­ва­е­мых ска­ляр­ных воз­му­ще­ний. Дело в том, что тео­рия пред­ска­зы­ва­ла кое-что еще.

Рис. 2. Поляризация реликтового из лучения по данным BICEP2

Рис. 2. Поля­ри­за­ция релик­то­во­го из луче­ния по дан­ным BICEP2

Недо­ста­ю­щая деталь

Кван­то­вые флук­ту­а­ции, имев­шие место на ста­дии инфля­ции, дали не толь­ко неод­но­род­но­сти плот­но­сти: они так­же поро­ди­ли релик­то­вые гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны. Еще до воз­ник­но­ве­ния тео­рии инфля­ции Лео­нид Гри­щук пока­зал, что в рас­ши­ря­ю­щей­ся Все­лен­ной гене­ри­ру­ют­ся гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны. Впо­след­ствии Алек­сей Ста­ро­бин­ский коли­че­ствен­но опи­сал этот про­цесс для слу­чая кос­мо­ло­ги­че­ской инфля­ции. Гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны, как и ска­ляр­ные воз­му­ще­ния плот­но­сти, тоже рас­тя­ги­ва­лись инфля­ци­он­ным «кон­вей­е­ром» от длин 10-27 см до широ­ко­го диа­па­зо­на мас­шта­бов. Эти вол­ны живут и поныне. В отли­чие от мик­ро­вол­но­во­го излу­че­ния (релик­та эпо­хи реком­би­на­ции, имев­шей место через 380 тыс лет после Боль­шо­го взры­ва), гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны – это пря­мой реликт эпо­хи кос­мо­ло­ги­че­ской инфля­ции, раз­вер­нув­шей­ся за 10-35 с до Боль­шо­го взры­ва.

Тео­рия инфля­ции под­креп­ле­на мно­же­ством фак­тов и дово­дов, но еще оста­ет­ся зазор для аль­тер­на­тив­ных воз­мож­но­стей объ­яс­нить про­ис­хож­де­ние Все­лен­ной. Детек­ти­ро­ва­ние релик­то­вых гра­ви­та­ци­он­ных волн, пожа­луй, долж­но окон­ча­тель­но рас­ста­вить точ­ки над i. После тако­го откры­тия за тео­рию кос­мо­ло­ги­че­ский инфля­ции мож­но точ­но давать Нобе­лев­скую пре­мию. И еще одну за само откры­тие.

Ампли­ту­да релик­то­вых гра­ви­та­ци­он­ных волн слиш­ком мала, что­бы их мож­но было заре­ги­стри­ро­вать руко­твор­ны­ми детек­то­ра­ми. Но тут на помощь опять при­хо­дит тот самый «экран», кото­рый закры­ва­ет от нас ран­нюю Все­лен­ную, – плаз­ма эпо­хи реком­би­на­ции. Она и игра­ет роль детек­то­ра, «запи­сы­вая» резуль­тат в том же релик­то­вом излу­че­нии, кото­рое при­нес­ло нам осталь­ную инфор­ма­цию. Гово­ря кон­крет­но, гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны мож­но уви­деть дву­мя спо­со­ба­ми: в поля­ри­за­ции релик­то­во­го излу­че­ния и через спектр его неод­но­род­но­стей. Пер­вый спо­соб более пря­мой, с него и нач­нем.

Поля­ри­за­ция релик­то­во­го излу­че­ния – доволь­но три­ви­аль­ная вещь. Она воз­ни­ка­ет при послед­нем комп­то­нов­ском рас­се­я­нии фото­нов на элек­тро­нах: у фото­на появ­ля­ет­ся линей­ная поля­ри­за­ция, пер­пен­ди­ку­ляр­ная плос­ко­сти рас­се­я­ния. Если сре­да одно­род­на и не дви­жет­ся, ника­кой поля­ри­за­ции нет – всё замы­ва­ет­ся, нет выде­лен­но­го направ­ле­ния. Но сре­да, как мы видим по кар­те релик­то­во­го излу­че­ния, неод­но­род­на и участ­ву­ет в слож­ных дви­же­ни­ях. И поля­ри­за­ция, как выяс­ня­ет­ся, тоже есть: WMAP и «Планк» ее пре­крас­но чув­ству­ет. Но при­чем здесь гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны?

Аспирант Джонатан Кауфман пополняет запас жидкого гелия, необходимого для нормальной работы датчиков BICEP2, регистрирующих космический микроволновый фон. Фото Jeffrey Donenfeld с сайта http://ucsdnews.ucsd.edu

Аспи­рант Джо­на­тан Кауф­ман попол­ня­ет запас жид­ко­го гелия, необ­хо­ди­мо­го
для нор­маль­ной рабо­ты дат­чи­ков BICEP2, реги­стри­ру­ю­щих кос­ми­че­ский мик­ро­вол­но­вый фон. Фото Jeffrey Donenfeld с сай­та http://ucsdnews.ucsd.edu

Ока­зы­ва­ет­ся, гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны дают дру­гую кар­ти­ну поля­ри­за­ции, неже­ли обык­но­вен­ные неод­но­род­но­сти. Их вклад мож­но отли­чить и выде­лить.

Гру­бо гово­ря, кар­тин­ка поля­ри­за­ции на небе выра­жа­ет­ся полем век­то­ров, име­ю­щих направ­ле­ние и дли­ну. Такое поле может выгля­деть как элек­три­че­ское – может быть пред­став­ле­но как резуль­тат ста­ти­че­ско­го рас­пре­де­ле­ния заря­дов. А может выгля­деть как маг­нит­ное, наве­ден­ное ста­ти­че­ским рас­пре­де­ле­ни­ем токов. Эти поля чет­ко раз­ли­ча­ют­ся на язы­ке диф­фе­рен­ци­аль­ной гео­мет­рии. Пер­вый тип поля назы­ва­ет­ся Е-модой, вто­рой – В-модой. Любое про­из­воль­ное поле поля­ри­за­ции мож­но раз­ло­жить на Е и В состав­ля­ю­щие. Ока­зы­ва­ет­ся, что В-моду могут дать толь­ко гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны, но никак не неод­но­род­но­сти плаз­мы и их аку­сти­че­ские коле­ба­ния.

Прав­да, на пути выяв­ле­ния В-моды есть про­бле­ма: гра­ви­та­ци­он­ные лин­зы. Ими слу­жат скоп­ле­ния галак­тик и эле­мен­ты круп­но­мас­штаб­ной струк­ту­ры Все­лен­ной. Эффект заклю­ча­ет­ся в том, что лин­зы, искрив­ляя тра­ек­то­рию фото­нов релик­то­во­го излу­че­ния, частич­но пере­во­дят Е-моду в В-моду. Важ­но суметь выде­лить эффект от гра­ви­та­ци­он­ных волн на фоне эффек­та лин­зи­ро­ва­ния. Есть еще пара про­блем, кото­рые обсуж­де­ны ниже.

Вто­рую воз­мож­ность почув­ство­вать пер­вич­ные гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны дает так назы­ва­е­мый эффект Сак­са -Воль­фа. Фотон, про­хо­дя через воз­му­ще­ния гра­ви­та­ци­он­но­го поля, меня­ет часто­ту, испы­ты­вая крас­ное или фио­ле­то­вое сме­ще­ние, – это меня­ет тем­пе­ра­ту­ру релик­то­во­го излу­че­ния. При­чем эффект силь­нее выра­жен для круп­но­мас­штаб­ных воз­му­ще­ний. Поэто­му эффект Сак­са – Воль­фа дол­жен «при­под­ни­мать» спектр мощ­но­сти неод­но­род­но­стей на рис. 1 – сле­ва от глав­но­го пика (l = 50…150).

История Вселенной с сайта http://bi cepkeck.org (начало изображено неправильно)

Исто­рия Все­лен­ной с сай­та http://bi cepkeck.org (нача­ло изоб­ра­же­но непра­виль­но)

Преды­ду­щие дан­ные

До сих пор сле­дов релик­то­вых гра­ви­та­ци­он­ных волн не виде­ли ни одним из двух пере­чис­лен­ных мето­дов. Фик­си­ро­ва­лись толь­ко верх­ние пре­де­лы. Вклад релик­то­вых гра­ви­та­ци­он­ных волн тра­ди­ци­он­но опре­де­ля­ет­ся как отно­ше­ние спек­тров мощ­но­стей так назы­ва­е­мых тен­зор­ных воз­му­ще­ний (имен­но их и дают гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны) и ска­ляр­ных (обыч­ных) неод­но­род­но­стей и обо­зна­ча­ет­ся, как r. Луч­ший верх­ний пре­дел сле­ду­ет из дан­ных WMAP и «План­ка»: r < 0,12 (на уровне досто­вер­но­сти 95%) – прак­ти­че­ски оди­на­ко­вый для обо­их аппа­ра­тов. Это огра­ни­че­ние полу­че­но из ана­ли­за спек­тра мощ­но­сти (рис. 1). Боль­ший вклад гра­ви­та­ци­он­ных волн при­вел бы к зади­ра­нию экс­пе­ри­мен­таль­ных точек в левой части гра­фи­ка отно­си­тель­но тео­ре­ти­че­ской кри­вой.

Этот пре­дел уже поста­вил под сомне­ние неко­то­рые кон­крет­ные моде­ли инфля­ции, при­чем самые про­стые. Пока наи­луч­шим обра­зом под него укла­ды­ва­ет­ся модель Ста­ро­бин­ско­го, прав­да не она одна. Эта модель пред­ска­зы­ва­ет вели­чи­ну r ~ 0,005. Если это пред­ска­за­ние вер­но, то до откры­тия релик­то­вых гра­ви­та­ци­он­ных волн долж­но прой­ти еще несколь­ко лет – как ни мала вели­чи­на эффек­та, наблю­да­те­ли добе­рут­ся и до это­го уров­ня, но все­му свое вре­мя.

Луч­шее огра­ни­че­ние на гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны через изме­ре­ние B-моды, полу­чен­ное назем­ны­ми мик­ро­вол­но­вы­ми теле­ско­па­ми: r < 0,78 (на уровне досто­вер­ность 95%). Это дан­ные экс­пе­ри­мен­та BICEP, раз­вер­ну­то­го на Южном полю­се. Сле­ду­ю­щая оче­редь это­го же экс­пе­ри­мен­та, BICEP2, и про­из­ве­ла нынеш­нюю сен­са­цию.

Есть В-мода?

BICEP2 – доволь­но малень­кий по раз­ме­ру мик­ро­вол­но­вый теле­скоп (см. фото на левом раз­во­ро­те). Угло­вое раз­ре­ше­ние – все­го пол­гра­ду­са, зато очень низ­кие шумы и высо­кая чув­стви­тель­ность. Это, в част­но­сти, дости­га­ет­ся за счет охла­жде­ния жид­ким гели­ем основ­ных эле­мен­тов теле­ско­па. Изме­ре­ния, резуль­та­ты кото­рых толь­ко что опуб­ли­ко­ва­ны, про­во­ди­лись три сезо­на с 2010 по 2012 год.

На рис. 2 пока­за­ны сня­тые кар­ты поля­ри­за­ции, раз­ло­жен­ные на Е-моду (сле­ва ввер­ху) и В-моду (сле­ва вни­зу). Дли­на чер­то­чек про­пор­ци­о­наль­на сте­пе­ни линей­ной поля­ри­за­ции, направ­ле­ние ука­зы­ва­ет направ­ле­ние поля­ри­за­ции. Спра­ва – резуль­тат чис­лен­но­го моде­ли­ро­ва­ние Е- и В-моды для слу­чая, когда гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны отсут­ству­ют (напом­ним, В-мода в этом слу­чае появ­ля­ет­ся за счет гра­ви­та­ци­он­но­го лин­зи­ро­ва­ния).

Нево­ору­жен­ным гла­зом вид­но, что В-мода замет­но пре­вы­ша­ет фон от гра­ви­та­ци­он­но­го лин­зи­ро­ва­ния. По отно­ше­нию к ска­ляр­ным воз­му­ще­ни­ям резуль­тат по гра­ви­та­ци­он­ным вол­нам выра­жа­ет­ся как r = 0,2+0,07-0,05, что неожи­дан­но мно­го. Науч­ная обще­ствен­ность уже настро­и­лась на то, что резуль­тат ока­жет­ся суще­ствен­но ниже.

Звон бока­лов и сомне­ния

В ком­мен­та­ри­ях по пово­ду откры­тия пре­об­ла­да­ет тор­же­ству­ю­щий тон. Дей­стви­тель­но, детек­ти­ро­ва­ние релик­то­вых гра­ви­та­ци­он­ных волн – важ­ней­ший резуль­тат, ста­вя­щий точ­ку в кос­мо­ло­ги­че­ской рево­лю­ции, свя­зан­ной с тео­ри­ей инфля­ции. С виду резуль­тат выгля­дит надеж­ным. Но в отли­чие от три­ум­фа тео­рии и экс­пе­ри­мен­та, состо­яв­ше­го­ся в резуль­та­те экс­пе­ри­мен­тов WMAP и «Планк», в дан­ном слу­чае оста­ют­ся вопро­сы. Глав­ный из них: не про­ти­во­ре­чит ли резуль­тат дан­ным выше­упо­мя­ну­тых экс­пе­ри­мен­тов? Ины­ми сло­ва­ми, сиг­нал от гра­ви­та­ци­он­ных волн ока­зал­ся подо­зри­тель­но боль­шим.

В прин­ци­пе, вели­чи­на r ~ 0,2 вполне впи­сы­ва­ет­ся в про­стей­шие вари­ан­ты тео­рии инфля­ции. Но она на три стан­дарт­ных откло­не­ния про­ти­во­ре­чит верх­не­му пре­де­лу «План­ка», постав­лен­но­му с опо­рой на эффект Сак­са – Воль­фа. Веро­ят­ность слу­чай­но­го отско­ка резуль­та­та на три стан­дарт­ных откло­не­ния – два шан­са из тыся­чи. Мало­ва­то. Прав­да, огра­ни­че­ние r < 0,12 спра­вед­ли­во толь­ко в пред­по­ло­же­нии, что рас­пре­де­ле­ние неод­но­род­но­стей релик­то­во­го излу­че­ния по угло­во­му раз­ме­ру (спектр мощ­но­сти) опи­сы­ва­ет­ся чисто сте­пен­ным зако­ном. Если отка­зать­ся от это­го пред­по­ло­же­ния, мож­но силь­но смяг­чить про­ти­во­ре­чие. В пре­прин­те BICEP2 при­ве­де­на кар­тин­ка из ста­тьи по резуль­та­там «План­ка» имен­но в той вер­сии, где пред­по­ло­же­ние о чисто сте­пен­ном спек­тре сня­то. Поэто­му воз­ни­ка­ет впе­чат­ле­ние согла­сия.

Автор про­кон­суль­ти­ро­вал­ся по это­му пово­ду со спе­ци­а­ли­ста­ми. Скла­ды­ва­ет­ся сле­ду­ю­щая кар­ти­на. Для согла­сия меж­ду BICEP2 и «План­ком» тре­бу­ет­ся так изо­гнуть спектр мощ­но­сти, что это тре­бу­ет изряд­но­го наси­лия над тео­ри­ей. А если не делать это­го наси­лия, то эффект Сак­са – Воль­фа «заде­рет» спектр, пока­зан­ный на рис. 1 сле­ва (l < 150) при­мер­но на 10%, что при дан­ной точ­но­сти будет явно про­ти­во­ре­чить дан­ным.

Где воз­мож­на ошиб­ка экс­пе­ри­мен­та, завы­ша­ю­щая резуль­тат? Пер­вое, что при­хо­дит в голо­ву: недо­оце­ни­ли эффект гра­ви­та­ци­он­но­го лин­зи­ро­ва­ния, спо­соб­но­го ими­ти­ро­вать В-моду. С дру­гой сто­ро­ны, эффект лин­зи­ро­ва­ния иссле­до­ван вдоль и попе­рек, суще­ству­ют ком­пью­тер­ные про­грам­мы для его моде­ли­ро­ва­ния. Неуже­ли здесь может крыть­ся какая-то ловуш­ка?

Авто­ры ста­тьи рас­смат­ри­ва­ют и дру­гой воз­мож­ный источ­ник фона, ими­ти­ру­ю­ще­го эффект: поля­ри­зо­ван­ная пыль в Галак­ти­ке, части­цы кото­рой ори­ен­ти­ру­ют­ся в кос­ми­че­ском маг­нит­ном поле. Рас­се­я­ние фото­нов на этой пыли дает поля­ри­за­цию, спо­соб­ную ими­ти­ро­вать любую моду. BICEP2 не может выде­лить ее вклад, посколь­ку при­ни­ма­ет толь­ко одну часто­ту. Это может сде­лать «Планк». Авто­ры е-прин­та при­зна­ют, что кар­ты рас­пре­де­ле­ния пыли для иссле­до­ван­но­го участ­ка неба нет -она вско­ре появит­ся – в сле­ду­ю­щем рели­зе «План­ка». Пока они исполь­зу­ют моде­ли рас­пре­де­ле­ния пыли и полу­ча­ют успо­ко­и­тель­ный вывод о том, что этот фон отно­си­тель­но без­опа­сен для глав­но­го резуль­та­та. Одна­ко при­хо­дит­ся слы­шать выска­зы­ва­ния ква­ли­фи­ци­ро­ван­ных людей о том, что с поля­ри­зо­ван­ной пылью не всё так про­сто и что имен­но здесь может быть «зары­та соба­ка».

Но не будем гадать и забе­гать впе­ред – вряд ли вопрос о подо­зри­тель­но боль­шом вкла­де релик­то­вых гра­ви­та­ци­он­ных волн завис­нет на дол­гие годы. Во-пер­вых, вско­ре «Планк» дол­жен про­яс­нить ситу­а­цию с фоном поля­ри­зо­ван­ной пыли. Во-вто­рых, парал­лель­но идут ана­ло­гич­ные экс­пе­ри­мен­ты, в том чис­ле и на Южном полю­се. Будут иссле­до­ва­ны дру­гие участ­ки неба, появят­ся неза­ви­си­мые резуль­та­ты. Навер­ня­ка боль­шие силы моби­ли­зу­ют­ся на изу­че­ние все­воз­мож­ных эффек­тов, вли­я­ю­щих на резуль­та­ты изме­ре­ний. Вряд ли отве­ты заста­вят себя дол­го ждать.

Попро­бу­ем поды­то­жить. Сде­ла­на серьез­ная заяв­ка на важ­ней­шее откры­тие, воз­мож­но ста­вя­щее точ­ку в кос­мо­ло­ги­че­ской эпо­пее, начав­шей­ся более 30 лет назад. Уже раз­да­ет­ся звон бока­лов, но с окон­ча­тель­ным празд­но­ва­ни­ем побе­ды рево­лю­ции в кос­мо­ло­гии, по-мое­му, сле­ду­ет немно­го повре­ме­нить. Еще не все кон­цы све­де­ны с кон­ца­ми и не все подо­зре­ния раз­ве­я­ны. Впро­чем, даже если резуль­тат не под­твер­дит­ся, он всё рав­но ока­жет­ся полез­ной встряс­кой, моби­ли­зу­ю­щей людей на про­рыв в этой важ­ней­шей обла­сти. Такое уже слу­ча­лось в кос­мо­ло­гии. 

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

18 комментариев

  • Александр Кауров:

    Очень инте­рес­но. Спа­си­бо.

  • Alex:

    Мож­но глу­пый вопрос – как всё это свя­за­но с тём­ной энер­ги­ей?

  • БШ:

    С тем­ной энер­ги­ей никак не свя­за­но. За исклю­че­ни­ем того, что ран­няя инфля­ция, дав­шая релик­то­вые гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны похо­жа на нынеш­нее уско­рен­ное рас­ши­ре­ние Все­лен­ной, кото­рое про­ис­хо­дит бла­го­да­ря тем­ной энер­гии. Воз­мож­но, тем­ная энер­гия и поле-инфла­тон в ран­ней Все­лен­ной – одно­го поля яго­ды, толь­ко мас­штаб их энер­гии отли­ча­ет­ся на десят­ки поряд­ков.

  • Елена Клещенко:

    * тре­бу­ют для изло­же­ния пол­но­цен­ной кни­ги, како­вая, наде­ем­ся, вско­ре будет пред­став­ле­на чита­те­лям.*

    Как-то я это в пер­вый раз про­пу­сти­ла! :) А мож­но попо­дроб­нее: чья кни­га, когда будет?

  • БШ:

    Наша. Я – автор, Руба­ков – науч­ный редак­тор, Лукаш, Ста­ро­бин­ский и Лин­де – собе­сед­ни­ки. К 25 мая дол­жен успеть с верст­кой.

  • А.П.:

    совер­шен­но дурац­кий вопрос.
    я так понял, наблю­да­е­мый эффект мно­го силь­нее ожи­да­е­мо­го от про­стых гра­ви­та­ци­он­ных волн.

    а кто ска­зал что плаз­ма не мог­ла В-моды гене­рить?
    так было бы толь­ко если мы огра­ни­чим­ся аку­сти­кой или ленг­мю­ром.

    а кто ска­зал что не было МГД или Альф­ве­на? эти могут всё что хочешь сге­не­рить.
    мог­ла все­лен­ная после взры­ва иметь угло­вой момент?
    ясно что тогда всё было несим­мет­рич­ным. и отсут­ствие угло­во­го момен­та было бы подо­зри­тель­но.

    а если да, то было и соб­ствен­ное маг­нит­ное поле.
    и огром­ное коли­че­ство плаз­мен­ных мод, кото­рые и созда­ли наблю­да­е­мую В-вол­ну.

    может, мож­но и ось и направ­ле­ние вра­ще­ния как-то опре­де­лить?
    понят­но, после тако­го рас­ши­ре­ния мало что оста­лось.
    но тем не менее?

  • БШ:

    МГД не мог­ло сыг­рать роль, посколь­ку мас­шта­бы неод­но­род­но­стей на кото­рых смот­рят В-моду огром­ны. Они срав­ни­мы с раз­ме­ра­ми зву­ко­во­го гори­зон­та на тот момент. Им про­сто не мог­ло хва­тить вре­ме­ни раз­вить­ся. А вот если было некое пер­вич­ное маг­нит­ное поле, тогда надо креп­ко поду­мать.

    • А.П.:

      ну да. изме­ри­ли поля­ри­за­цию в одном направ­ле­нии в угле 1–2 гра­ду­са – это вели­кое дости­же­ние, но это ещё не конец исто­рии. необ­хо­ди­мо изме­рить поля­ри­за­цию в несколь­ких направ­ле­ни­ях.

      каза­лось бы, если у все­лен­ной есть угло­вой момент и когда-то было врож­дён­ное маг­нит­ное поле, в кото­ром суще­ство­ва­ли МГД или Альф­ве­нов­ские моды, то поля­ри­за­ция может быть серьёз­но ани­зо­троп­ной.

      гля­дишь, най­дё­те «ось зла», чем чёрт не шутит.

    • А.П.:

      кста­ти, неиз­вест­но когда эти вол­ны раз­ви­лись. если это маг­нит­ное поле, то может, они намно­го рань­ше появи­лись, а потом рас­ши­ря­лись, будучи вмо­ро­жен­ны­ми в плаз­му. или это не вари­ант?

      • БШ:

        Рань­ше еще хуже – гори­зонт был мень­ше, захва­ты­вал мень­ший сопут­ству­ю­щий объ­ем (гори­зонт рас­ши­рял­ся быст­рей, чем Все­лен­ная)
        Вооб­ще может быть какие-то измыш­ле­ния на это тему пуб­ли­ко­ва­лись. Про­бей­те по клю­че­вым сло­вам типа пер­вич­ное маг­нит­ное поле

        • А.П.:

          ну, настоль­ко оно меня всё-таки не инте­ре­су­ет. я думал, экс­пер­ты в кур­се.

          эзо­те­ри­ки по пово­ду нача­ла все­лен­ной огром­ное коли­че­ство. огра­ни­че­ны-то мы толь­ко фан­та­зи­ей – ну и рецен­зен­та­ми гран­тов.

          подо­ждём что изме­ре­ния пока­жут. это самое инте­рес­ное.

        • А.П.:

          вро­де до сих пор изме­ре­ния были неод­но­знач­ны­ми.
          то ли есть, то ли нет
          http://news.sciencemag.org/2010/09/primordial-magnetic-field-may-permeate-universe

          но если было маг­нит­ное поле и одно­вре­мен­но были гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны, то каза­лось бы маг­нит­ное поле мог­ло быть соот­вет­ствен­но про­мо­ду­ли­ро­ва­но, что мог­ло бы объ­яс­нить более силь­ную поля­ри­зо­ван­ность бэк­гра­ун­да.
          одна­ко эффект по моим поня­ти­ям дол­жен бы быть ани­зо­троп­ным.

  • […] Источ­ник: Газе­та «Тро­иц­кий вари­ант» […]

  • mer:

    Вот смот­ри­те, смот­ри­те, поссо­ри­лись – http://technic.itizdat.ru/docs/rysal-san/FIL13850543800N202284001/1
    на базе:
    «а уфо­ло­ги ходят с рей­кой, на кон­це кото­рой два квар­ца. Фаза гуля­ет — это что? Меж­ду про­чим по Эйн­штей­ну замед­ле­ние вре­ме­ни про­пор­ци­о­наль­но напря­жен­но­сти гра­ви­та­ци­он­но­го поля. Для син­хро­ни­за­ции резуль­та­тов или для под­твер­жде­ния долж­но подой­ти.
    25.03.14 08:07:02 mer
    Не раз­би­ра­ясь, отку­да какая гадость лезет, сиг­на­лы тупо подать на ана­ли­за­то­ры спек­тра. Спек­тры срав­нить.»

  • 102%:

    Стран­но, ста­тья не про поли­ти­ку и не про сво­бо­до­мыс­лие. И даже не про Укра­и­ну.
    Нети­пи­чый мате­ри­ал для трв.

  • внук тре­тье­го дня задал вопрос, топая из шко­лы – что будет, если столк­нуть­ся две чер­ные дыры \\\ при­шлось отшу­тить­ся – Боль­шой Взрыв \\\ да, два гори­зон­та собы­тия в одной точ­ке оста­но­вив­ше­го­ся вре­ме­ни – мало не пока­жет­ся…
    \\
    это я для срав­не­ния уров­ня наших зна­ний и пере­хле­сте веры в быст­ро­ме­ня­ю­щи­е­ся тео­рии наши

  • Alex:

    Жёл­тая буль­вар­ная прес­са пишет, что Планк отме­нил гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны…

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com