Открытие гравитационных волн может прояснить все спорные вопросы космологии.
Американские ученые одним махом подтвердили последний недоказанный эффект общей теории относительности, инфляционную модель Вселенной, концепцию мультивселенной, и сделали крупный шаг к созданию Теории всего. Речь идет об открытии предсказанных Эйнштейном почти век назад гравитационных волн, которое было представлено 17 марта в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики.
Девять лет назад группа ученых разработала сверхточный детектор излучения. В 2007 году он лег в основу 23-метрового телескопа BICEP2 стоимостью в $20 млн, построенного на станции Амундсен-Скотт в Антарктике. Место это выбрано неслучайно: на полюсах атмосфера тоньше, воздух сух и безоблачен, световое загрязнение практически отсутствует, а звезды видно непрерывно на протяжении полугода — одним словом, на поверхности планеты лучше места для обсерватории не найти.
Собрать необходимые данные не составило большого труда, но на их анализ и перепроверку у команды из десятков исследователей ушли годы. Полученные учеными результаты уже вызывает восхищение у астрофизиков по всему миру, хотя их работа еще даже не опубликована в рецензируемых изданиях, и на независимую проверку может понадобиться долгое время. Специалисты, тем не менее, наперебой говорят о перспективе Нобелевской премии и начале новой эпохи в космологии, если открытие подтвердится: по сути, команда BICEP2 обнаружила эхо Большого взрыва.
Гравитационные волны
Одним из следствий представленной Альбертом Эйнштейном в 1916 году общей теории относительности было предположение, что ускоренное движение тел огромной массы может приводить к появлению особого излучения — гравитационных волн. Те, по логике ученого, должны были свободно распространяться в пространстве, представляя собой перемещающиеся со скоростью света возмущения пространства-времени.
Почти сто лет этот эффект не удавалось пронаблюдать на практике: мощность гравитационного излучения, достаточная для того, чтобы засечь его на общем фоне при нынешнем техническом уровне, требует колоссальной массы и ускорения источника. Так, звезда и вращающаяся вокруг нее планета, в принципе, должны порождать гравитационные волны, но обнаружить их вряд ли получится: например, для пары Солнце — Юпитер мощность излучения составит всего 5 киловатт.
Наиболее перспективным в этом плане считается наблюдение за бинарными звездами. Вращаясь друг вокруг друга, две звезды постепенно сближаются по спирали. Считается, что это происходит именно потому, что они тратят часть энергии на гравитационное излучение. В итоге звезды сталкиваются, происходит гравитационный коллапс и еще до 50% энергии системы переходит в гравитационные волны. Наблюдения и математические подсчеты косвенно подтверждают этот сценарий, но непосредственно излучение зафиксировать пока не удалось.
Большой взрыв
Ученые, работающие с телескопом BICEP2, решили искать гравитационные волны совершенно в другом месте. Чтобы понять их логику, придется вернуться немного назад — на 13,8 млрд лет. На сегодняшний день научный консенсус состоит в том, что 13,77 ± 0,059 млрд лет назад наша Вселенная начала стремительно расширяться из некоего сверхплотного сингулярного состояния — это и был Большой взрыв.
В 1980 году американский физик Алан Гут предложил инфляционную модель Вселенной как уточнение к теории Большого взрыва, в которой к тому времени начали обнаруживаться некоторые несоответствия. С точки зрения старой модели наша Вселенная, например, необъяснимо гомогенна — при простом гравитационном расширении отдельные ее участки разлетались бы со скоростью света, не взаимодействуя, а значит, не имея возможности стать однородными.
Инфляционная модель объясняет это и другие несоответствия. Согласно ей, основное расширение Вселенной пришлось на короткий промежуток времени в самом начале первой секунды после Большого взрыва — между 10—36 и 10—32 долями этой самой секунды. Вселенная при этом расширялась со скоростью, значительно превышающей скорость света (что, кстати, не противоречит специальной теории относительности, ведь речь идет не о движении внутри космоса, а о расширении его самого). За это время она успела вырасти в 1030 раз. Именно так сохранилась однородность, свойственная ее начальному состоянию. При этом существование звезд, планет и прочих объектов объясняется небольшими квантовыми флуктуациями в пространстве-времени, которые привели к неодновременному окончанию расширения в разных регионах.
Спустя 380 тысяч лет, когда плазма, заполняющая Вселенную, достаточно остыла, чтобы пропускать радиацию, возникло реликтовое излучение, или космический микроволновый фон — остаточные тепловые волны температурой меньше 3 градусов по Кельвину. Оно довольно однородно, что служит косвенным подтверждением инфляционной модели.
Другим подтверждением должны служить гравитационные волны. Если инфляция действительно имела место, то, согласно общей теории относительности, она должна была породить сильнейшее гравитационное излучение, называемое первичным. Но и его зафиксировать оказалось непросто.
Следы на песке
Исследовательская группа BICEP2 исходила из предположения, что первичные гравитационные волны оставили свой след в реликтовом излучении, подобно тому, как морские волны оставляют извивающиеся отпечатки на песке мелководья. В конце концов, реликтовое излучение тоже вид света, и гравитация должна на него действовать — в частности, менять его поляризацию.
В процессе рассеивания поляризация космического микроволнового фона стала линейной, то есть вектор его электромагнитного поля колеблется в некой плоскости. Направление и степень колебания можно измерить, чем ученые и занялись, составив карту распределения в пространстве этих векторов для небольшого участка неба. По идее, они должны были бы обнаружить так называемую Е-моду — ситуацию, когда структура поляризации элементарных областей зеркально симметрична. Собственно, в 2002 году такой результат и получили исследователи, работавшие с интерферометром DASI.
Но команде BICEP2 удалось разглядеть не только E-моду, но и B-моду — спиральную структуру, к появлению которой как раз и должны были привести гравитационные волны. Большую часть времени они потратили на проверку этого результата. В частности, им нужно было убедиться, что одна структура не трансформировалась в другую просто из-за близости с каким-либо центром массы, как это случилось в 2013 году с их коллегами, работающими на телескопе SPT.
Американские ученые уверены, что отфильтровали все нерелевантные данные и перед ними — действительно результат воздействия первичных гравитационных волн на космический микроволновый фон. Это сразу же говорит о двух вещах: во-первых, предсказанные Эйнштейном гравитационные волны существуют и общая теория относительности работает, а во-вторых, инфляционная модель Вселенной, по-видимому, справедлива, не говоря уже о самой концепции Большого взрыва.
Мультивселенная и Теория всего
Подтверждение инфляционной модели ведет к еще одному следствию: скорее всего, в результате Большого взрыва образовалась далеко не одна Вселенная. Большинство вариантов инфляции, так или иначе, ведут к мультивселенной — исключающие ее построения в принципе возможны, но крайне сложны. В этом сходятся и Алан Гут, предложивший первую инфляционную модель, и Андрей Линде, развивший его идею в 1982 году. Оба не принимали участия в нынешнем исследовании, но выступали на посвященной ему пресс-конференции.
«Модели инфляции, которые не ведут к мультивселенной, строить трудно. Не то что бы это было невозможно — тут пока остается место для исследований. Но определенно большинство инфляционных моделей ведут к множеству вселенных, и новые подтверждения модели вынудят нас воспринимать идею мультивселенной всерьез», —пояснил журналистам Гут.
Линде высказался в том же ключе: «В большинстве инфляционных моделей если есть инфляция, то есть и множество вселенных. Каждый подтверждающий инфляцию эксперимент намекает, что мультивселенная реальна».
Предполагается, что в ходе инфляции некоторые участки пространства-времени расширялись быстрее других, замыкаясь в условные пузыри, которые затем развивались в отдельные вселенные с собственными законами физики. Возможно, дальнейшие измерения гравитационных волн помогут определить, какой именно из вариантов инфляционной модели имел место в действительности, тем самым детально восстановив картину Большого взрыва.
Не в последнюю очередь подтверждение инфляционной модели является и шагом на пути к Теории всего — единой концепции, которая бы примирила общую теорию относительности и квантовую механику. Первая используется в основном для описания макромира, а вторая — для микромира, но в процессе инфляции их законы определенно должны были каким-то образом согласоваться.
Прошлые и будущие исследования
Работа команды BICEP2 принята к публикации в журнале Nature и ожидает рецензирования, но она — далеко не единственное исследование в этой области. Выше уже упоминались проекты DASI и SPT — оба базируются на той же антарктической станции и их команды работают в той же области. DASI, кстати, в 2010 году был разобран, а на его месте появился «потомок» BICEP2 — Keck Array.
Космическая обсерватория Европейского космического агентства «Планк» в 2009—2010 годах, среди прочего, собирала данные о реликтовом излучении — правда, исследователей из ЕС интересовала не поляризация, а температуры. Их результаты в этой области пока не окончательны, но уже наметились определенные расхождения с выводами команды BICEP2 — не принципиальные, но требующие дополнительной проверки. В числе прочих эту проверку уже проводят комплексы Keck Array и пришедший на смену BICEP2 в 2013 году BICEP3.
Попытки засечь обычные (не первичные) гравитационные волны продолжаются как на земле, так и в космосе. В 2027 году ожидается запуск космического интерферометра DECIGO, а в 2034-м — европейского LISA. В зависимости от реальных сроков реализации проектов один из них станет первой космической обсерваторией, специально предназначенной для поиска гравитационного излучения. Наиболее чувствительным из существующих наземных пока считается лазерный интерферометр LIGO — сейчас его обновляют для повторного запуска в нынешнем году.
Еще одним способом поиска гравитационных волн является наблюдение за мерцанием пульсаров — вращающихся звезд. С точки зрения удаленного наблюдателя, их излучение пульсирует через равные интервалы. Отклонения от ритма, в принципе, должны свидетельствовать о влиянии гравитационных волн. Три комплекса радиотелескопов, работающие над этой проблемой, недавно объединились в консорциум IPTA для обмена данными.
Немає коментарів:
Дописати коментар
Примітка: лише член цього блогу може опублікувати коментар.