Физики увидели начало времен и подтвердили расширение Вселенной

Астрономы, судя по всему, наконец-то зафиксировали слабые свидетельства Большого взрыва и последующего быстрого расширения Вселенной. Открытие подтверждает одни космологические модели и отвергает другие, а также, в случае подтверждения, может претендовать на Нобелевскую премию. Вчера в научном журнале вышла рецензированная статья физиков.

Почему был выбран Южный полюс?

Исследование проводилось при помощи двух радиотелескопов, расположенных на Южном полюсе Земли, на станции Амундсена-Скотта. Такое расположение диктуется сразу несколькими причинами. Во-первых, ночь здесь длится по полгода. Во-вторых, воздух Южного полюса гораздо холоднее (в среднем -60 °C) и чище, менее влажный, а значит, наблюдать за космосом гораздо проще. Возмущения и вода в атмосфере не вносят в собираемые данные сумятицу, а в нынешнем случае это было очень важно, так как гравитационные волны, за которыми собственно и охотились астрономы, оставляют еле заметные следы. Учёные, конечно, надеялись, что современные пределы чувствительности техники позволят "поймать" их, но шансов было не много.

Вода поглощает микроволновые сигналы, мешая наблюдениям. Ещё два важных фактора − более низкое давление (за счёт высоты расположения) и слабые ветра. Ну и, конечно же, отсутствие здесь поселений людей и их техники, которая создаёт массу "шумов", играет немаловажную роль.

"Южный полюс — самое близкое место к космосу. При этом вы по-прежнему находитесь на Земле", — комментирует Джон Ковач (John Kovac) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, возглавлявший коллаборацию учёных, работающих над проектом "Фоновое изображение космической экстрагалактической поляризации" (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, сокращённо BICEP).

Так как звёзды здесь не поднимаются из-за горизонта, а остаются практически неподвижными на протяжении всех шести месяцев, телескопам проще постоянно собирать данные о небосводе.

Инфляционная модель Вселенной

Попробуем разобраться, что же собой представляют гравитационные волны и почему подтверждение их существования так важно для науки и человечества в целом.
Как известно, существует несколько моделей эволюции Вселенной.

Одна из основных гипотез учёных предполагает, что Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва расширялась невероятно быстрыми темпами. За десятки триллионных триллионных триллионных долей секунды объём Вселенной увеличился с субатомных размеров (то есть меньше атома) до размеров футбольного мяча. Произошло это 13,8 миллиарда лет назад.

Спустя 380 тысяч лет появились гравитационные волны, которые испускала раскалённая добела плазма (звёзд, планет и галактик тогда ещё не существовало). В дальнейшем они продолжали распространяться по получившемуся пространству и превратились в излучение микроволнового диапазона (ныне фоновый шум). Именно эти возмущения и зафиксировали телескопы, которые помогают учёным строить картину реликтового излучения или космического микроволнового фонового излучения.

Реликтовое (древнейшее) излучение поначалу также существовало только в теории, однако в 1965 году его наличие было доказано экспериментально. С тех пор физики неустанно изучают его свойства и распространение, составляя "карты", одна точнее другой.

Гравитационные волны и их значение

Почему же гравитационные волны так важны для науки? Дело в том, что инфляция Вселенной (в данном случае подразумевается, конечно, не экономический термин, а понятие быстрого расширения), согласно представлениям физиков, имеет квантовую природу.

То есть наличие гравитационных волн говорит о том, что гравитация, как и все остальные фундаментальные взаимодействия (например, электромагнитное), имеет квантовую природу. Соответственно, данное открытие, если оно будет в дальнейшем подтверждено, меняет фактически фундаментальные основы наших представлений о Вселенной.

Кроме того, "отпечаток" гравитационных волн поможет учёным заглянуть во взаимодействия на тех уровнях энергии, которые невозможно воспроизвести в лабораторных условиях (как учёные ни стараются, температуру Большого взрыва не в состоянии воспроизвести даже Большой адронный коллайдер).

Есть и ещё одно важное обстоятельство: достижение команды Ковача – это прямое доказательство того, что гравитационные волны, одно из ключевых понятий Общей теории относительности Эйнштейна, существуют.

"Это совершенно новый, независимый кусок космологических свидетельств, который полностью встраивается, дополняет и скрепляет картину инфляции", — считает физик-теоретик и космолог Алан Гут из MIT, который предложил идею расширения Вселенной в 1980 году. Он также добавляет, что исследование достойно Нобелевской премии.

Инфляция Вселенной в свою очередь объясняет сразу несколько сложных космологических загадок, например, почему наблюдаемая Вселенная кажется нам однородной от одного конца до другого.

Ранее учёные фактически уже доказали, что инфляционная модель Вселенной верна, хотя, конечно же, не все учёные с этим согласны и приводят свои доводы. Теперь же, можно считать, что найдены убедительные тому доказательства.

Что же такое гравитационные волны?

Космологи предполагали, что период первоначального ультрабыстрого расширения Вселенной должен был оставить свой отпечаток — те самые гравитационные волны (своеобразная рябь на полотне пространства-времени). В одном направлении происходит растягивание, а в другом − сжатие.

Гравитация по Эйнштейну – это искривление пространства-времени вблизи массивных объектов. Искривление при этом не обязательно остаётся рядом с объектом, оно может распространяться по Вселенной (подобно сейсмическим волнам во время землетрясения). При этом гравитационные волны могут распространяться даже по абсолютно пустому пространству со скоростью света.

Вот как на примере полотенца (пространство-время), яблока (звезда) и мячика для пинг-понга (менее массивный объект, проходящий мимо звезды) корреспондент New Scientist довольно доходчиво объясняет, что же такое гравитационные волны.

Валери Джеймсон (Valerie Jamieson) рассказывает следующее. Искривление "полотна" пространства-времени (полотенце) массивными объектами вызывает появление гравитации, которая в свою очередь воздействует на объекты, проходящие мимо массивного тела, породившего это искривление.

Гравитационные волны — следствие очень быстрого расширения молодой Вселенной. Со временем за счёт её дальнейшего расширения они ослабевают (складки на полотенце немного разглаживаются). Однако они продолжают влиять на излучение, распространяющееся по Вселенной, а значит, это воздействие можно зафиксировать.

Как поймать слабый сигнал?
Как мы уже сказали, за прошедшие миллиарды лет древние "колебания" значительно ослабли. Поймать их современными приборами напрямую почти невозможно. Однако они повлияли на фоновое реликтовое излучение, поляризовав его.

Тут на сцену выходит одно сложное, но важное понятие B-мода.

Поляризацию реликтового излучения можно разложить на две составляющие: безвихревую Е-моду и вихревую B-моду. Первая была зафиксирована ещё в 2002 году. Вторая же, согласно выкладкам физиков-теоретиков, появляется в ходе двух процессов: из-за воздействия на реликтовое излучение гравитационных линз или же из-за инфляционного расширения Вселенной.

Гравитационными линзами служат любые крупные объекты Вселенной (например, галактики). Обладая гигантской массой, они искривляют своим гравитационным воздействием направление распространения излучения. Появляющиеся в результате этого процесса B-моды поляризации, учёные выловили в октябре 2013 года. Тогда им помог "Телескоп Южного полюса" (SPT) и космический телескоп "Гершель" (Herschel).

B-мода, которая появилась в ходе первоначального быстрого расширения Вселенной, поймана не была. И вот на днях о её открытии заявила группа Джона Ковача. Учёные анализировали данные, собранные телескопом BICEP2, который располагается всего в нескольких метрах от SPT.

Обнаружение потребовало сложных расчётов и невероятной точности измерений (на уровне десятимиллионной части Кельвина). Воздействие гравитационных волн на реликтовое излучение надо было отделить от воздействия даже мельчайших частиц галактической пыли.

Физики попытались исключить все возможные иные причины.

Во-первых, исследователи очень точно настроили положение BICEP2, направив его 512 сверхпроводящих детекторов микроволнового излучения на ту часть неба, где, согласно расчётам, любые сторонние возмущения минимальны.

Во-вторых, учёные сравнили новые данные с прежними, которые были получены в ходе эксперимента BICEP1. Тогда им удалось показать, что сигнал, генерируемый пылью, отличается по спектру.

В-третьих, исследователи использовали новую более точную информацию о поляризации, собранную массивом Кека (Keck Array). Последний был установлен на "Телескопе Южного полюса" в 2012 году и будет функционировать ещё два года. И в этом случае результат был тот же.

"То, что мы увидели одинаковый сигнал на двух разных телескопах, убедило нас в правильности выводов", — говорит Ковач.

Мнение других учёных

"Детали ещё предстоит прояснить, но из того, что я знаю, я могу сделать вывод, что это именно то, что мы так долго ждали, – сообщил Nature Джон Карлстрём (John Carlstrom) из университета Чикаго, один из ведущих исследователей SPT. — Это открытие гравитационных волн, порождённых инфляцией".

"Для меня новые данные выглядят очень-очень убедительными. Это как открытие тёмной энергии или самого реликтового излучения — такое происходит раз в несколько десятилетий", — вторит ему космолог Марк Камёнковский (Marc Kamionkowski) из университета Джона Хопкинса, который впервые рассчитал, как должен выглядеть "отпечаток" гравитационных волн на реликтовом излучении.

Уверенность в результате
Любопытно, что интенсивность обнаруженного BICEP2 сигнала очень удивила ловивших его исследователей. Она оказалась в два раза выше, чем предполагали прежние эксперименты.

Согласно теоретическим выкладкам физиков, интенсивность B-моды показывает, как быстро Вселенная расширялась во время инфляции, а значит, отражает энергетическое состояние космоса в те времена.

Последние данные указывают на то время, когда Вселенной было 10-37 секунд отроду, а её температура достигала (в энергетическом эквиваленте) 1016 гигаэлектронвольт. По Теории Великого объединения, эта чрезвычайно высокая энергия соответствует той, при которой становятся неотличимыми друг от друга три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное.

Поскольку инфляция происходила во времена "правления" квантовой физики, то обнаружение гравитационных волн, появившихся в ту эпоху, является первым экспериментальным подтверждением квантовой природы гравитации (и это ещё одно очень важное для науки достижение!). То есть гравитационные волны – свидетельство того, что гравитация (явление классической физики) в основе своей опирается на законы физики квантовой, как и все три других фундаментальных взаимодействия.

Впрочем, несмотря на столь явное объединение двух физик, учёным ещё предстоит разобраться, как объяснить наблюдаемое с точки зрения теории.

Научные статьи
Исследовательская группа провела масштабную работу и отправила сразу несколько статей в научные журналы, а также предоставила исчерпывающую информацию на сайте проекта.

Сейчас похожую работу ведут группы, собирающие данные при помощи аэростатов, космического телескопа 'Планк", "Телескопа Южного полюса" и других наземных обсерваторий.

Учёные, занимающиеся анализом информации, поступающей с "Планка", и планирующие подвести итоги к концу года, скорее всего, представят более обширные данные по поляризации и B-моде (космический телескоп может обозревать всё небо), а также по параметрам инфляции и её движущим силам. Им также предстоит подтвердить нынешние результаты. Если они посчитают выводы нынешней команды исследователей верными, то науки, изучающие формирование Вселенной, поистине войдут в новую эру.

Мнение скептиков
Результаты команды Ковача ещё предстоит перепроверить и подтвердить или опровергнуть многим другим научным группам. Вот, что говорит по этому поводу Пол Штейнхардт (Paul Steinhardt) из Принстона: "Нет сомнения, если гравитационные волны будут подтверждены, это убьёт циклическую модель и экпиротический сценарий, которые предложили мои коллеги и я. Мы всегда совершенно чётко высказывались на эту тему. Но пока я говорю слово если".

К слову, оба упомянутых выше гипотезы утверждали, что Вселенная расширяется, а потом сжимается, таким образом постоянно перерождаясь.

Другой именитый скептик – Нил Турок (Neil Turok) заявил порталу physicsworld.com, что его волнуют расхождения в новых результатах и тех данных, что были получены в ходе работы космических аппаратов "Планк" и WMAP: "Я считаю, что если данные "Планка" согласовать с новыми, то вместе они представят убедительные доказательства против инфляции!"

"Мне всё-таки кажется, что остаётся большая вероятность того, что поляризационный сигнал E- и B-моды не является космологическим. Это очень интересный результат, но я не буду занимать чью-либо сторону, пока не будут получены подтверждения в других экспериментах, — добавляет астрофизик Питер Коулс (Peter Coles) из университета Суссекса. — Чтобы считать данное открытие прямым доказательством теории инфляции, нам необходимо категорически постановить, что [сигнал] не генерируется каким-либо другим процессом. Но я не думаю, что мы когда-нибудь сможем так сказать".

Ещё один учёный, который призывает к осторожности — Чарльз Лоуренс (Charles Lawrence), работающий с данными "Планка": "Это весьма волнительное открытие, но, как и с любым другим измерением, надо быть осторожным".

Общественное обсуждение результата

19 июня 2014 года одна из статей группы Ковача увидела свет в журнале Physical Review Letters. Все данные прошли проверку рецензентами. Однако многие учёные всё ещё сомневаются в трактовке результатов и продолжают искать ошибки и нестыковки в исходной работе.

В основном, критика сводится к тому, что за подобный эффект может отвечать пыль Галактики. В статье команда Ковача делает вывод: "Мы не можем полностью исключить, что весь избыточный сигнал может быть объяснён яркой эмиссией галактической пыли". Между тем, даже критики признают, что данный результат требует новых данных, которые помогут провести независимую проверку другими научными группами.

Реакция Линде

Напоследок предлагаем вашему вниманию видео, которое показывает, как адъюнкт-профессор Чао-Линь Ко (Chao-Lin Kuo) из Стэнфорда удивил профессора Андрея Дмитриевича Линде известиями об обнаружении свидетельств в пользу теории инфляции Вселенной. Линде в 80-х годах прошлого века прославился разработкой хаотической теории инфляции.

"У меня для вас сюрприз, — с порога заявил Ко ничего не понимающему Линде и его жене Ренате Каллош (Renata Kallosh), являющейся выпускницей МГУ, теперь работающей профессором теоретической физики в Стэнфорде. — Это пять сигма".

Последнее высказывание на языке физиков означает, что учёные получили достаточно достоверные данные и могут с уверенностью говорить о результате.

"Открытие?" – восклицает в ответ Рената и обнимает Ко. "Что?!" – не менее эмоционально вопрошает шокированный Линде. На что Ко отвечает ему, что BICEP2 "с вероятностью" 5 сигма открыл гравитационные волны, что подтверждает теорию инфляции знаменитого физика.