Реликтовые гравитационные волны Вселенной остаются неуловимыми

Учёные провели серию экспериментов по обнаружению реликтовых гравитационных волн периода инфляции нашей Вселенной с использованием космического телескопа Planck и наземных обсерваторий BICEP2 и Keck Array, но точным измерениям препятствует излучение от межзвёздной пыли в Млечном пути.

Объединённый анализ данных от наземного эксперимента BICEP2 и космической миссии Planck не выявил никаких убедительных доказательств существования реликтовых гравитационных волн, возникших во время рождения нашей Вселенной, несмотря на более ранние сообщения об их возможном обнаружении. Сотрудничество между командами учёных привело к наиболее точному знанию того, на что должны быть похожи сигналы от очень древних гравитационных волн, и это поможет в дальнейших поисках.

Planck (Планк) – миссия Европейского космического агентства с большим вкладом НАСА. BICEP2 и его дочерний проект Keck Array базируются на Южном полюсе и финансируются Национальным научным фондом также при поддержке НАСА.

"Анализируя оба набора данных вместе, мы смогли получить более определенную картину происходящего, чем это возможно с одним набором, – сказал Чарльз Лоуренс, ученый проекта Planck из Лаборатории реактивного движения, Пасадена, Калифорния. – Совместный анализ показывает, что основная часть сигнала, обнаруженного BICEP2/Keck, исходит от межзвёздной пыли в Млечном пути, но мы не исключаем низкий уровень сигнала от гравитационных волн. Это неплохой пример того, как прогресс в области науки постепенно движется вперёд".

Planck и BICEP/Keck разработаны в целях измерения реликтового излучения нашей Вселенной, появившегося вскоре после её рождения 13,8 миллиардов лет назад. В этом древнейшем излучении, называемом космическим микроволновым фоновым излучением (КМФИ), заключается экстраординарный источник информации об эволюции и истории Вселенной. Орбитальный телескоп Planck производил измерения реликтового излучения из космоса, обозревая всё небо, в то время как BICEP2/Keck был сосредоточен на одном участке ясного неба над Южным полюсом Земли.

В марте 2014 года учёные представили интригующие данные эксперимента BICEP2/Keck, обнаружив то, что казалось возможным сигналом, идущим со времён рождения нашей Вселенной. Если бы сигнал на самом деле принадлежал раннему периоду существования космоса, то это подтвердило бы наличие древних гравитационных волн. Предполагается, что эти волны были произведены взрывным и очень быстрым периодом расширения нашей Вселенной, называемым инфляцией, которая имела место, когда возраст Вселенной составлял малую долю одной секунды.


В частности, в эксперименте BICEP/Keck обнаружены доказательства вихревой структуры поляризованного света под названием B-моды. Эти структуры могли быть встроены в свет КМФИ, так как гравитационные волны немного сжимают и растягивают ткань пространства. Поляризация описывает особое свойство света. Обычно электрические и магнитные поля распространяются со световыми волнами во всех направлениях одинаково, но когда они распространяются по большей части в определённом направлении, свет является поляризованным.

"Вихревой вид поляризации, о котором сообщает BICEP2, также четко просматривался на новых данных от Keck Array", – сообщил Джейми Бок из Калифорнийского технологического института в Пасадене, член научных групп BICEP2/Keck и Planck.

"Поиск уникальной записи очень ранней Вселенной захватывающий и трудный, поскольку этот тонкий сигнал скрыт поляризацией реликтового фонового излучения, которое само по себе составляет лишь очень небольшой процент от всего света", – объяснил Ян Таубер, учёный из проекта Planck Европейского космического агентства.

Один из самых сложных аспектов выявления изначальных (реликтовых) фоновых B-мод – отделение их от тех поляризованных компонент, которые могут быть созданы гораздо ближе к нам межзвёздной пылью Млечного пути.

Наша галактика пропитана смесью газа и пыли, излучающей на частотах, аналогичных частотам реликтового излучения, и это очень близкое излучение влияет на поиски древнейшего космического света. Нужен крайне тщательный анализ данных, чтобы отделить ближайшее излучение от КМФИ.

"Когда мы впервые заметили в наших данных этот сигнал, мы опирались на те модели излучения от галактической пыли, которые были нам доступны в то время, – пояснил Джон Ковач, co-руководитель объединения BICEP2/Keck в Гарвардском университете, Кембридж, Массачусетс. – Они указывали на то, что область обзора, выбранная для наших исследований, была относительно лишена пыли".

Эксперименты BICEP2/Keck осуществляют сбор данных на единой микроволновой частоте, что затрудняет разделение излучения, исходящего от пыли в Млечном пути, и реликтовый фон. С другой стороны, в рамках миссии Planck производились наблюдения неба в девяти субмиллиметровых и микроволновых частотных каналах, семь из которых были оснащены датчиками, чувствительными к поляризации. Некоторые из этих частот были специально выбраны, чтобы сделать измерения излучения пыли Млечного пути. При детальном анализе эти многочастотные данные могут использоваться для выявления различных видов излучения.


Команды учёных миссии Planck и BICEP2/Keck объединили способность астрономического спутника производить наблюдения в нескольких частотах с большей чувствительностью наземных обсерваторий на ограниченных участках неба.

"Шум в измерениях приборов ограничивает глубину наших поисков сигнала инфляции, – говорит Бок. – BICEP2/Keck производит измерения на одной длине волны. Для того, чтобы выявить, как долго сигнал идёт от галактики, мы использовали измерения Planck в нескольких длинах волн. Мы получаем большую точность, объединяя измерения BICEP2/Keck и Planck, пока это лучшие данные, доступные нам в настоящее время".

Итоговые результаты показали, что основная часть сигнала B-мод, полученного BICEP2/Keck, но не обязательно весь сигнал, относится к пыли Млечного пути. Что же касается признаков инфляционного периода нашей Вселенной, то этот вопрос остается открытым.

Совместное исследование Planck/BICEP/Keck устанавливает верхний предел величины гравитационных волн периода инфляции, которая, вероятно, возникла в это время, но её уровень слишком низкий, чтобы его подтвердил данный анализ.

"Новый установленный верхний предел сигнала от гравитационных волн хорошо согласуется с верхним пределом, который мы получили ранее при помощи Planck с учётом температурных колебаний реликтового фонового излучения. Гравитационно-волновой сигнал находится где-то там, и поиски определенно продолжаются, – сказал Брендан Крилл, член исследовательских команд BICEP2 и Planck из JPL.

Статья с результатами исследований пока находится в стадии экспертной оценки.

Технология датчиков для экспериментов BICEP2 и Keck Array, а также для космического телескопа Planck разработана НАСА и Лабораторией реактивного движения (JPL).

Цветовая гамма на этом изображении от космического телескопа Planck представляет собой излучение от межзвёздной пыли, незначительного, но важного компонента, который пронизывает Млечный путь. Текстура показывает ориентацию магнитного поля галактики.