Сигнал из времен до Большого взрыва

Антарктическая исследовательская станция BICEP, возможно, получила сигналы, идущие из начала времен. Это может стать крупнейшим научным открытием 21-го века, подтвердить нашу картину рождения Вселенной и уж точно решить судьбу Нобелевской премии.


В понедельник, 17 марта, международная научная коллаборация представила результаты анализа наблюдений исследовательской астрономической станции BICEP в Антарктиде. Ученые утверждают, что обнаружили в реликтовом космическом излучении сигнал, идущий из самых первых мгновений существования Вселенной. Если результат подтвердится, он станет важным (и, по сути, первым) подтверждением важнейшей составляющей нашей космологический картины – инфляционной теории, согласно которой в самом начале времени Вселенная очень быстро раздувалась. Это открытие может стать в один ряд с обнаружением бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере и наверняка определит судьбу как минимум одной из ближайших Нобелевских премий по физике, на которую теперь могут претендовать сразу два физика российского происхождения.

Подробнее об отпечатках гравитационных волн, пришедших из времен до Большого взрыва, рассказал астрофизик Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга.

– Итак, что же было обнаружено?

– На самом деле, неправильно говорить об "обнаружении”. Полученный результат появился после сложной обработки большого количества данных. Но если упрощать, то обнаружили давно ожидаемый и давно предсказанный сигнал в данных о поляризации реликтового излучения. Реликтовое излучение, которое мы наблюдаем с помощью специальных наземных и космических исследовательских аппаратов, – отпечаток молодой Вселенной, то, что осталось от момента, когда Вселенная в процессе своего остывания стала прозрачной. У этого излучения, как и у любого другого, есть несколько поляризационных характеристик. Одна из них почти уникальным образом связана с поведением Вселенной на очень-очень ранней стадии, которую вообще никак иначе экспериментально увидеть нельзя.

– Эта стадия, отпечаток которой мы увидели, предшествовала моменту, когда Вселенная стала "прозрачной”?

– Да, и более того, формально можно говорить, что она была до Большого взрыва. Давайте сразу уточним терминологию: удобно понимать под Большим взрывом момент, когда Вселенная заполнилась горячим, плотным веществом. Этому моменту теоретически предшествовала так называемая стадия инфляции, в это время Вселенная – тогда еще совсем не похожая на нынешнюю – очень быстро расширялась. Распад и колебания поля, ответственного за это расширение, собственно, и породили составляющее теперь Вселенную вещество. Это поле было неоднородно, оно испытывало флуктуации, что, как следует из общей теории относительности, приводило к возникновению гравитационных волн. После того как инфляция закончилась и наша Вселенная стала более-менее похожей на сегодняшнюю, остался фон этих волн, который несет уникальную информацию о стадии инфляции. А главное, наличие этого фона, вообще говоря, подтверждает, что эта инфляционная стадия действительно была. Вот сигналы (они называются Б-моды), свидетельствующие о том, что фон гравитационных волн, оставшийся после стадии инфляции, повлиял на реликтовое излучение, и обнаружили, судя по всему, на антарктической исследовательской станции BICEP.

Может быть, вы видели эмоциональное видео одного из авторов инфляционной модели Андрея Линде, только что узнавшего новость о результатах BICEP. Его можно понять: инфляция – прекрасная теория, у которой есть большие проблемы с наблюдательным подтверждением. Важность результата BICEP (точнее, установки второго поколения BICEP2), если он окажется верен, – именно в подтверждении инфляционной модели.

– Другими словами, если верна инфляционная модель, то на стадии инфляции должны были быть гравитационные волны, которые отпечатались в реликтовом излучении, и именно эти отпечатки, вероятно, увидели на BICEP?

– Да. Если все подтвердится, это будет главным достижением.

– А важно ли, что этот результат также подтвердит предсказание о существовании гравитационных волн?

– Важно, только с поправкой на то, что за такое подтверждение дали Нобелевскую премию еще 20 лет назад. Тот результат, основанный на наблюдении пульсаров, был куда более прямым свидетельством существования гравитационных волн. Да, сейчас мы видим определенный сигнал, который был предсказан в рамках некоторой модели, предполагающей наличие гравитационных волн. Но для этого сигнала в принципе можно подыскать и другие интерпретации. Если говорить о том, более старом наблюдении, сближению некоторой пары нейтронных звезд мы вообще не можем придумать другого объяснения, которое бы не задействовало гравитационные волны. Я скорее сказал бы, что результат BICEP важен в контексте того, что мы уже знали о существовании гравитационных волн, то есть мы уже представляли, какие именно искать сигналы.

– Обнародованные данные BICEP – это же не результат какого-то только что произведенного астрономического наблюдения?

– Конечно нет, и это обычная ситуация в этой области. Повторюсь, это результаты очень сложного анализа. По рассказам коллег, данные долго обрабатывали с помощью мощного суперкомпьютера. Для сравнения: спутниковый телескоп PLANCK, который, как и BICEP, предназначен для исследования реликтового излучения, давно ничего не наблюдает, но окончательных результатов его работы все еще нет, потому что для обработки данных нужно несколько лет. У BICEP данных меньше, чем у PLANCK, поэтому для их анализа хватило года. Все это совсем не похоже на "астрономы увидели”.

– Кроме BICEP и PLANCK какие-то аппараты изучают реликтовое излучение?

– Да, и между ними идет серьезная конкурентная борьба. Есть достаточно много наземных установок, в основном они размещены в Антарктиде и в сухих пустынях Южной Америки. Их возможности по большому счету намного меньше, чем у спутника (хотя кое-что они могут делать лучше), зато такие станции значительно дешевле космических. Космический телескоп, изучающий реликтовое излучение, сейчас только один – это PLANCK (до него был WMAP, а еще раньше COBE), но ведь и научное открытие нужно сделать только один раз, так что это как Большой адронный коллайдер – два строить не обязательно.

– В чем сложность поиска таких сигналов, почему мы не увидели их раньше, хотя уже давно наблюдаем реликтовое излучение?

– Проблем много. Ну, хотя бы искомый сигнал от гравитационных волн мало того что сам по себе слабый, так еще и существует на фоне шума. У этого шума есть разные составляющие, но главная вот какая: сигнал чувствует, что происходит с ним по дороге к нам от места излучения. А происходит с ним, например, гравитационное линзирование: галактики распределены в космосе неравномерно, где-то их больше, где-то – меньше, соответственно, сигнал отклоняется, двигается по искривленному пространству. Изучая шум, мы можем что-то узнать о распределении галактик в пространстве, это, кстати, само по себе очень важно, и такие вещи научились делать в прошлом году. Об этом были опубликованы работы, но сделаны они были на малых, порядка 0,1 углового градуса масштабах, то есть наблюдался очень небольшой участок неба. И никаких Б-модов там видно не было, хотя гравитационные волны должны влиять на все масштабы. А BICEP впервые представил подробные данные высокой чувствительности на масштабе 1-2 градусов, здесь шум не дает такого большого вклада, зато сигнал гравитационных волн, наоборот, относительно хорошо заметен. BICEP был изначально нацелен именно на это открытие и работал в области, где при самом оптимистичном сценарии сигнал оказывался над шумом. Это объясняет, почему мы могли увидеть Б-моды только сейчас. Ну, а дальше PLANCK сможет дать картину на еще большем масштабе, который наземным станциям, BICEP в том числе, в принципе недоступен.

– Как я понимаю, полученные данные выглядят пока немного странно?

– Да, сигнал значительно сильнее, чем ожидалось. Пока в его величине есть довольно большие неопределенности, но если взять среднее значение, то выходит слишком много. Речь о специальном параметре r, это отношение тензорной моды к скалярной, и вот оно оказалось на удивление большим.

– По сравнению с теоретическими прогнозами?

– Нет, скорее, последовательные наблюдения устанавливали верхние пределы для его величины, и казалось, что она должна быть от силы равна 0,1, причем многим ученым даже более реалистичным казалось значение в 0,01. А у BICEP получилось 0,2, с ошибкой примерно в пять сотых в ту или другую сторону, что в любом случае больше, чем 0,1. Это довольно подозрительно.

– То есть результат пока не окончательный?

– Конечно, теперь нужно дождаться соответствующих результатов PLANCK. Замечу, что здесь была определенная гонка, и группа, работающая с BICEP, спешила, чтобы успеть представить свои результаты до обнародования данных спутникового телескопа. Важно, что PLANCK сможет представить результаты наблюдений на большем масштабе, чем наземный BICEP. Кроме того, нужно дождаться, чтобы обработали свои аналогичные наблюдения другие наземные станции. Все это, судя по существующим темпам работы, дело нескольких месяцев.

– Какое научное значение будет иметь подтверждение инфляционной теории?

– Будет много интересного. Например, можно глубже изучать саму инфляцию, и здесь одно из активно разрабатываемых направлений – связь с ней теории струн. Интересно, что с точки зрения предсказаний теории струн, сигнал не должен был оказаться таким сильным. Это конечно не значит, что теория струн теперь опровергнута, но какие-то альтернативы внутри нее могут разрешиться. Инфляция – это как раз один из тех редких моментов, где теория струн надеется соприкоснуться с реальностью, чтобы не быть только математической физикой.

– А теория множественной (мульти) вселенной, которую разрабатывает Андрей Линде, будет как-то подтверждена этим результатом?

– Ну, вообще разных теорий мультивселенной много, но если говорить именно про вариант Линде, про его раздувающиеся пузыри, то, пожалуй, можно говорить, что подтверждение инфляционной модели -– серьезный аргумент верить, что верна и его картина вечной хаотической инфляции. Но, конечно, прямым подтверждением теории Линде это не станет. Более того, в ближайшее время будет появляться много статей, в которых авторы будут объяснять наблюдаемый сигнал вообще не инфляцией. Сообщество в целом считает инфляцию самым естественным объяснением, но есть другие варианты, например, фазовые переходы в очень ранней Вселенной, которые теоретически могли привести к почти неотличимым сигналам. Ну что же, чтобы отсечь неверные объяснения, нужно продолжать наблюдения, уточнять результаты. Пока у инфляции было только два подтверждения. Одно – более косвенное – путем измерения спектра флуктуаций. Этот результат был тоже достигнут в прошлом году как раз благодаря анализу данных PLANCK, за его теоретическое предсказание Алексей Старобинский и Вячеслав Муханов получили престижную премию Грубера. Второе – и самое ожидаемое, потому что сигналы в поляризации реликтового излучения все же сложно объяснить без инфляции – мы, возможно, получили вчера.

– Кстати, о премиях: можно делать ставки на нобелевских лауреатов?

– Думаю, Нобелевскую премию по итогам этих результатов в этом году дать не успеют. Разве что ее получат теоретики – скорее всего, ими станут Андрей Линде, Алан Гут и Алексей Старобинский – основные авторы инфляционной модели. Экспериментаторы могут получить Нобеля позже, кстати, за бозон Хиггса премию пока тоже получили только теоретики.

– Любопытно, что если Линде и Гут получат Нобелевскую премию, это станет первым прецедентом, когда ученые получили сначала премию Мильнера, а потом Нобеля.

– Да, действительно. И я уверен, что именно Старобинский тоже должен стать лауреатом Нобелевской премии. В его статье была предложена первая разумная модель инфляции, хотя и очень теоретическая. Это, кстати, было заведомо до работ Алана Гута и других авторов.

– Двое из троих претендентов – Старобинский и Линде – представители советской научной школы.

– Посмотрите список литературы в только что опубликованной статье с результатами BICEP, первыми там идут Старобинский, Линде, Рубаков, Чибисов, Муханов. Вся эта наука в существенной степени создавалась в 1970-80-е годы именно в Советском Союзе.