В шаге от открытия: реликтовые гравитационные волны
Человек устроен самым удивительным образом: даже перед лицом очевидной угрозы нас не перестают волновать самые, казалось бы, отвлеченные вопросы. Да и может ли быть что-то важнее тайны сотворения мира, когда этот мир летит в тартарары? Таким парадоксальным образом мы, наверное, отвергаем свой эгоизм в пользу антропоцентричности Вселенной…
Познание – это не только метод ответов на вопросы, но и способ ставить новые вопросы. Поэтому каждое новое открытие, каждая новая теория ставят новые сложные вопросы. Так, теория Большого взрыва вполне изящно описала происхождение Вселенной. Вместе с Общей теорией относительности, теория Большого взрыва и составила общую космологическую концепцию. Открытие в 1964 году реликтового излучения – «отпечатка» плазмы, заполнявшей Вселенную в момент рекомбинации, через 380 тысяч лет с момента Большого взрыва – подтвердило теорию экспериментально.
Однако, тут же возникли следующие вопросы. Например, почему Вселенная неоднородна, если взрыв предполагает однородное расширение во всех направлениях? То есть на масштабах больше 300 миллионов световых лет Вселенная однородна, но на меньших масштабах мы видим существенные неоднородности, например, скопления галактик. Даже наше собственное существование является проявлением неоднородности Вселенной и в этом смысле, казалось бы, противоречит условиям взрыва.
Представление эволюции Вселенной от НАСА
Ответ на этот и другие подобные вопросы был предложен в конце 1980-х. Тогда Андрей Линде, Алан Гут и Алексей Старобинский предложили теорию инфляции. Эта теория описывает самые ранние стадии формирования Вселенной – первые 10-35 (десять в минус тридцать пятой степени) секунды, когда плотность энергии вакуума была огромна, или говоря иначе, когда она была заполнена однородным скалярным полем с огромной плотностью энергии – так называемым «тяжелым вакуумом». За это немыслимо короткое время Вселенная расширялась до больших размеров по экспоненциальному закону, а «тяжелый вакуум» выгорел и превратился в частицы. В сущности, это и был Большой взрыв, который определил существующие «законы», геометрию Вселенной и задал ее устойчивое последующее расширение. Основные механизмы теории инфляции заложены в уравнениях общей теории относительности.
В дальнейшем Вселенная расширялась, и через 380 тысяч лет плазма превратилась в нейтральный газ, прозрачный для фотонов. С тех пор мы можем наблюдать Вселенную путем регистрации электромагнитного излучения. Именно этот момент – рекомбинацию – мы и регистрируем как реликтовое излучение, подтверждающее теорию Большого взрыва. С начала 1990-х, с помощью в основном внеатмосферных средств наблюдения, установленных на спутниках, на общей карте реликтового излучения мы начали регистрировать некоторые неоднородности. Эти неоднородности объясняют наблюдаемую неоднородность Вселенной, однако сами нуждаются в объяснении.
Теория инфляции предлагает такое объяснение. В соответствии с ней, наблюдаемые неоднородности есть не что иное, как результат квантовых флуктуаций «тяжелого вакуума» во время инфляции. Тогда они имели масштаб 10-29 метра, однако инфляция, а затем и расширение Вселенной, «растянули» эти неоднородности до огромных размеров. Они стали основой для гравитационной неустойчивости, для образования галактик, звезд.
Однако, квантовые флуктуации должны не только приводить к возникновению неоднородности плотности вещества во Вселенной, но и порождать гравитационные волны. Эти волны, появившиеся в момент инфляции, и растянутые до разных масштабов, являются непосредственным последствием инфляции, а также прямым подтверждением теории.
Поиски реликтовых гравитационных волн идут уже несколько лет. Для этого исследуют взаимодействие реликтовых гравитационных волн с реликтовым излучением. Тут используются два способа: исследование поляризации реликтового излучения и его температуру (эффект Сакса-Вольфа). Для этого используется аппаратура, работающая в миллиметровом диапазоне электромагнитного спектра.
Новость пришла на прошлой неделе от проекта BICEP2 – небольшого инструмента, установленного в Антарктиде, на Южном полюсе. Этот микроволновой телескоп имеет небольшое угловое разрешение, однако, благодаря искусственному охлаждению имеет высокую чувствительность и очень низкий уровень шума. По сообщению команды исследователей, опубликованному 17 марта, результаты измерений дают возможность предполагать, что реликтовые гравитационные волны зарегистрированы.
Разумеется, остаются некоторые важные вопросы. В частности, зарегистрированный сигнал превышает теоретически предсказанный, что должно быть объяснено в рамках существующей теории. Кроме того, подтверждение открытия требует дальнейших экспериментов. Но заявление прозвучало и вызвало немалый резонанс в научном мире.
Это действительно важное достижение: подтверждение этого открытия может завершить современную космологическую картину. После него и авторы теории инфляции, и авторы открытия реликтовых гравитационных волн вполне могли бы претендовать на Нобелевскую премию.
Но дело, разумеется, вовсе не в премиях. Нам просто почему-то совершенно необходимо знать, как устроен мир. И нам абсолютно необходимо быть уверенными в том, что, что бы ни происходило с нами сегодня, завтра кто-то найдет ответы на самые странные вопросы.
Если мы делаем открытия, у нас еще есть шанс. Если мы не разучились делать научные открытия, мы еще не забыли, что мы – люди. И чтобы ими оставаться, давайте почаще смотреть на звездное небо…
Ілюстрації з www.wired.com
