За крок до відкриття: реліктові гравітаційні хвилі
Людина влаштована найдивовижнішим чином: навіть перед лицем очевидної загрози нас не перестають хвилювати найбільш, здавалося б, абстрактні питання. Та й чи може бути щось важливіше за таємницю створення світу, коли цей світ летить в тартарари? Таким парадоксальним чином ми, напевно, відкидаємо свій егоїзм на користь антропоцентричності Всесвіту…
Пізнання - це не лише метод відповідей на питання, але і спосіб ставити нові питання. Тому кожне нове відкриття, кожна нова теорія ставлять нові складні питання. Так, теорія Великого вибуху цілком витончено описала походження Всесвіту. Разом із Загальною теорією відносності, теорія Великого вибуху і склала загальну космологічну концепцію. Відкриття в 1964 році реліктового випромінювання – «відбитку» плазми, що заповнювала Всесвіт у момент рекомбінації, через 380 тисяч років з моменту Великого вибуху - підтвердило теорію експериментально.
Проте, одразу ж виникли наступні питання. Наприклад, чому Всесвіт неоднорідний, якщо вибух припускає однорідне розширення на всіх напрямках? Тобто на масштабах більше 300 мільйонів світлових років Всесвіт однорідний, але на менших масштабах ми бачимо істотні неоднорідності, наприклад, скупчення галактик. Навіть наше власне існування є проявом неоднорідності Всесвіту, і в цьому сенсі, здавалося б, суперечить умовам вибуху.
Представлення еволюції Всесвіту НАСА
Відповідь на це і інші подібні питання була запропонована у кінці 1980-х. Тоді Андрій Лінде, Алан Гут і Олексій Старобинский запропонували теорію інфляції. Ця теорія описує найбільш ранні стадії формування Всесвіту - перші 10-35(десять в мінус тридцять п’ятому ступені) секунди, коли щільність енергії вакууму була величезна, або кажучи інакше, коли Всесвіт був заповнений однорідним скалярним полем з величезною щільністю енергії - так званим «важким вакуумом». За цей немислимо короткий час Всесвіт розширювався до великих розмірів за експоненціальним законом, а «важкий вакуум» вигорів і перетворився на частки. По суті, це і був Великий вибух, який визначив існуючі «закони», геометрію Всесвіту і задав її стійке подальше розширення. Основні механізми теорії інфляції закладені в рівняннях загальної теорії відносності.
Надалі Всесвіт розширювався, і через 380 тисяч років плазма перетворилася на нейтральний газ, прозорий для фотонів. Відтоді ми можемо спостерігати Всесвіт шляхом реєстрації електромагнітного випромінювання. Саме цей момент - рекомбінацію - ми і реєструємо як реліктове випромінювання, що підтверджує теорію Великого вибуху. З початку 1990-х, за допомогою в основному позаатмосферних засобів спостереження, встановлених на супутниках, на загальній карті реліктового випромінювання ми почали реєструвати деякі неоднорідності. Ці неоднорідності пояснюють спостережувану неоднорідність Всесвіту, проте самі потребують пояснення.
Теорія інфляції пропонує таке пояснення. Відповідно до неї, спостережувані неоднорідності є не що інше, як результат квантових флуктуацій «важкого вакууму» під час інфляції. Тоді вони мали масштаб 10-29 метра, проте інфляція, а потім і розширення Всесвіту, «розтягнули» ці неоднорідності до величезних розмірів. Вони стали основою для гравітаційної нестійкості, для утворення галактик, зірок.
Проте, квантові флуктуації мають не лише призводити до виникнення неоднорідності щільності речовини у Всесвіті, але і породжувати гравітаційні хвилі. Ці хвилі, що з'явилися у момент інфляції, і розтягнуті до різних масштабів, є безпосереднім наслідком інфляції, а також прямим підтвердженням теорії.
Пошуки реліктових гравітаційних хвиль йдуть вже декілька років. Для цього досліджують взаємодію реліктових гравітаційних хвиль з реліктовим випромінюванням. Тут використовуються два способи: дослідження поляризації реліктового випромінювання і його температуру (ефект Сакса-Вольфа). Для цього використовується апаратура, що працює в міліметровому діапазоні електромагнітного спектру.
Новина прийшла минулого тижня від проекту BICEP2 - невеликого інструменту, встановленого в Антарктиді, на Південному полюсі. Цей мікрохвильовий телескоп має невелике кутове розрізнення, проте, завдяки штучному охолодженню має високу чутливість і дуже низький рівень шуму. За повідомленням команди дослідників, опублікованому 17 березня, результати вимірів дають можливість припустити, що реліктові гравітаційні хвилі зареєстровані.
Зрозуміло, залишаються деякі важливі питання. Зокрема, зареєстрований сигнал перевищує теоретично передбачений, що має бути пояснено у рамках існуючої теорії. Крім того, підтвердження відкриття вимагає подальших експериментів. Але заява прозвучала і викликала чималий резонанс у науковому світі.
Це дійсно важливе досягнення: підтвердження цього відкриття може завершити сучасну космологічну картину. Після нього і автори теорії інфляції, і автори відкриття реліктових гравітаційних хвиль цілком могли б претендувати на Нобелівську премію.
Але справа, зрозуміло, зовсім не в преміях. Нам просто чомусь абсолютно необхідно знати як влаштований світ. І нам абсолютно необхідно бути упевненими в тому, що, що б не відбувалося з нами сьогодні, завтра хтось знайде відповіді на найдивніші запитання.
Якщо ми робимо відкриття, в нас ще є шанс. Якщо ми не розучилися робити наукові відкриття, ми ще не забули, що ми - люди. І щоб ними залишатися, давайте частіше дивитися на зоряне небо…
Ілюстрації з www.wired.com
