Возможное открытие космологических гравитационных волн

В марте 2014 года американские космологи объявили об открытии B-моды поляризации реликтового излучения и возможном открытии гравитационных волн. В эксперименте BICEP2 обнаружили признаки космологических гравитационных волн. Если будущие наблюдения подтвердят это открытие, то оно станет чрезвычайно важным в космологии, позволит пролить свет на то, что происходило в очень ранней Вселенной в самые первые моменты после Большого взрыва.

Эксперимент BICEP2 проводится исследователями из КалТеха (США). На рис. 1 показан телескоп BICEP2, установленный в Антарктиде.

Если исключить задачу по поиску жизни на других планетах или проблему непосредственного обнаружения темной материи, то открытие гравитационных волн является самым важным для нашего понимания Вселенной. Оно — важнейшее после открытия темной энергии. Отметим, что главная новость здесь не в том, что гравитационные волны существуют, а в том, какую информацию о ранней Вселенной они несут. Другими словами, впервые появляются наблюдательные данные о времени и о состоянии материи при рождении нашей Вселенной.

Современная теория ранней Вселенной — это теория инфляции.

В основе космологической инфляции лежит довольно простая идея. В самом начале расширения, примерно в момент 10-35 секунд от момента рождения, наша Вселенная прошла фазу ускоренного расширения. Существует много инфляционных моделей ранней Вселенной. Основное следствие инфляционной эры состоит в том, что она решает основные «метафизические» проблемы космологии: почему расширяется наша Вселенная, почему она с большой степенью однородная и изотропная, а также проблему начальных возмущений.

Возмущения плотности, которые были ничтожно малыми в ранней Вселенной, сегодня выросли и образовали галактики, звезды и планетные системы.

Проблема начальных возмущений в космологии — возмущений вещества и гравитационного поля — являлась одной из центральных проблем в «классической» космологии. Решить эту проблему смогли только в правильно построенной теории ранней Вселенной — в инфляционной модели.

Возмущения плотности рождались из квантовых флуктуаций инфлатона — скалярного поля, которое порождало саму инфляцию.

Таким образом, теория ранней Вселенной сделала определенные предсказания, которые удалось проверить за последние 25 лет: наша Вселенная является приближенно однородной, а возмущения плотности и пространства-времени очень маленькие. Но эта «рябь» на поверхности основного гладкого пространства-времени предоставляют нам определенную, количественную информацию и дают надежду на изучение инфляционной эры (включая то, произошла ли инфляция вообще).

Есть два типа возмущений, которые мы ожидали увидеть: возмущение инфлатона и возмущения поля тяготения. Мы не знаем точно, какое поле стимулировало инфляцию, мы просто называем его «инфлатон» и пытаемся определить его свойства из наблюдений. Именно инфлатон в конечном счете преобразуется в вещество и излучение, именно его возмущения производят возмущения плотности ранней, первичной, плазмы. Следы этого процесса мы уже увидели в анизотропии реликтового излучения. Карты анизотропии реликтового излучения, полученные спутником «Планк», показаны на рис.2. Разница в температуре на небесной сфере от точки к точке очень небольшая (приблизительно одна часть в 10-5), но именно разница показывает флуктуации плотности, которые в процессе эволюции превращаются в звезды, галактики и группы галактик.

Рис. 2. Карта распределения анизотропии реликтового излучения, полученная космическим аппаратом «Планк»

Во Вселенной существуют не только «нулевые колебания» скалярного поля, но и квантовые флуктуации гравитационных волн (или гравитоны). Сразу после создания теории инфляции (в 1982 г.) выпускники физического факультета МГУ Рубаков В.А., Сажин М.В. и Веряскин А.В. вычислили фон стохастических гравитационных волн, которые должны рождаться в ранней Вселенной. Еще до них этот процесс рассматривали также выпускники физического факультета МГУ Грищук Л.П. и Старобинский А.А. Грищук Л.П. рассматривал физический механизм рождения гравитонов, а Старобинский А.А. вычислил характеристики гравитационных волн в его модели прото-инфляции.

Гравитационные волны от инфляции интересны по нескольким причинам. Во-первых, мы знаем, что они существуют, и они представляют собой безмассовые частицы. Во-вторых, есть способ отличить вклад гравитационных волны от вклада колебаний плотности, используя поляризацию реликтового излучения. Наконец, характеристики спектра гравитационных волн определяют детали инфляции, включая одно «магическое» число — плотность энергии Вселенной во время инфляционной эры.

У любого вида электромагнитного излучения, может быть поляризация, в частности, она может быть у реликтового излучения. Электромагнитные волны представляют собой осцилляции электрических и магнитных полей при их распространении в пространстве, и мы (несколько произвольно) определяем направление поляризации, в котором электрическое поле колеблется вверх и вниз. Конечно, когда мы наблюдаем много фотонов, поляризация каждого фотона будет направлена случайно, давая результирующий эффект, равный нулю. Это имеет место в обычной лампе накаливания, и аналогичная ситуация почти имеет место для реликтового излучения. Однако не совсем. Существует небольшая степень остаточной поляризации реликтового излучения, которая была обнаружена телескопом DASI несколько лет назад.

Поляризация, которую обнаружил DASI, была вызвана флуктуациями плотности. К счастью, мы можем отличить поляризацию, вызванную возмущениями плотности (скалярная мода) от поляризации, вызванной гравитационными волнами (тензорная мода) по форме «рисунка» поляризации на небе.

Распределение поляризации реликтового излучения на небесной сфере можно представить в форме небольших линейных сегментов на небе — направление чистого колебания в электрическом поле. На рис.3 показано распределение поляризации в E-моде и в B-моде.

Рис. 3. Распределение поляризации в E‑моде и B‑моде. E‑мода поляризации является вращательно и отражательно инвариантной, в то время, как в B‑моде зеркальная симметрия нарушена

Грубо говоря, возмущения плотности (возмущения скалярного типа) производят только поляризацию E-моды, тогда как гравитационная волна производит поляризацию B-моды. Вот почему детектирование B-моды является таким важным открытием.

В реальности ситуация является несколько более сложной, чем чистая теоретическая картина, рассмотренная выше. B-моду поляризации создают несколько источников, среди которых есть пыль. Пыль в космическом пространстве явление обычное. В нашей Галактике находится много пыли, распределенной, в основном, в плоскости Галактики. Наблюдатели, которые проводили эксперимент BICEP2, выбрали часть небесной сферы практически свободную от пыли.

Однако многие космологи позже подвергли этот эксперимент критике, указывая на то, что вклад пыли был учтен не полностью.

Естественно, первое сообщение об открытии B-моды в поляризации реликтового излучения необходимо проверять в других экспериментах, которые выполняются по другой методике. Такие наблюдения планируются на нескольких телескопах: South Pole Telescope, PolarBear и Atacama Array Telescope.

Не вдаваясь в технические детали в опубликованной статье, такие как амплитуда эффекта или его статистическая достоверность, давайте представим, что это означало бы для физики. Флуктуации плотности и гравитационно-волновой фон являются результатом квантовых колебаний, порожденных во время инфляции, и амплитуда флуктуаций зависит от энергетического масштаба, в котором происходит инфляция. Найденные характеристики гравитационно-волнового фона показывают, что энергетический масштаб потенциала инфлатона примерно 1016 ГэВ (где ГэВ составляет миллиард электрон-вольт, т.е. массу протона). Этот масштаб энергий находится довольно близко к масштабу планковской энергии 1019 ГэВ и к масштабу гипотетического Великого объединения всех физических взаимодействий. Таким образом, очевидно, что любая эмпирическая информация, которую мы можем получить о физике в этих масштабах энергии, является чрезвычайно интересной.

Остается добавить, что проведенный эксперимент является верхом современных технологий. Это действительно трудные измерения, с большим количеством подводных камней. К счастью, в науке есть много конкурирующих экспериментов, которые очень скоро скажут нам, являются ли результаты BICEP2 достоверными.

Профессор Сажин М.В., д.ф.-м.н. Сажина О.С.