Реликтовые гравитационные волны

Последний штрих в картине происхождения Вселенной?

17 марта 2014 года появилась сенсационная новость: открыты гравитационные волны! Те СМИ, что посерьезней, уточнили, что речь идет об открытии реликтовых, или первичных, гравитационных волн, а подтверждение их существования получено не прямым, а косвенным путем, через микроволновое реликтовое излучение. Самые продвинутые добавили, что открытие подтверждает теорию космологической инфляции, объясняющей происхождение Вселенной. Что же произошло и каково значение возможного открытия?

Вопросы, поставленные первой космологической революцией

Тот факт, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва, был прекрасным образом подтвержден в 1964 году, когда зарегистрировали реликтовое излучение. Собственно, и до этого мало кто сомневался, но вот это открытие поставило жирную точку. Так закончилась первая космологическая революция, начавшаяся в 1915 году построением общей теории относительности.

Любая научная революция решает одни вопросы и ставит другие. Новые вопросы были очень простыми и одновременно обескураживающими:

• Почему Вселенная со всех сторон одинаковая? Ведь разные части Вселенной какое-то время после Большого взрыва ничего «не знали» друг о друге — они не могли обменяться никакими сигналами из-за конечности скорости света, иными словами, не были причинно связаны. Почему же они начали расширяться одновременно и оказались столь похожими?
• Почему параметры Большого взрыва оказались так точно подогнаны, что Вселенная не схлопнулась в первые мгновения или не разлетелась вдребезги, а мягко «притормозила» через миллиарды лет? Чуть более строго вопрос звучит так: почему Вселенная оказалась настолько «плоской»?
• Что послужило первичным толчком для Большого взрыва?

Есть и другие вопросы, но они уже выходят за рамки газетной статьи и требуют для изложения полноценной книги, каковая, надеемся, вскоре будет представлена читателям.

Вторая космологическая революция

В начале 1980-х годов был найден правдоподобный ответ на перечисленные выше вопросы. За мгновение до Большого взрыва произошло раздувание некоего микроскопического зародыша Вселенной на десятки порядков величины. Механизм такого раздувания заложен в уравнениях общей теории относительности. Он работает, когда пространство заполнено однородным скалярным полем с огромной плотностью энергии. Или, что почти то же самое, — когда плотность энергии вакуума огромна. При этом расширение Вселенной происходит по экспоненциальному закону: в каждый определенный промежуток времени расстояние между любыми  двумя точками удваивается. Причем время удвоения выражается немыслимо малой величиной типа 10^-37 с. Этот процесс называется космологической инфляцией (английское слово «inflation», известное нам из экономики, переводится как «раздувание»).

Чтобы инфляция сделала свою работу по сотворению большой однородной Вселенной, достаточно 10^-35 с. После этого скалярное поле, или «тяжелый вакуум», выгорает, превращаясь в частицы, — это и есть Большой взрыв — образование горячей Вселенной, которая продолжает расширяться по инерции и остывать. Однородность и «плоская» геометрия (а значит, и долгое будущее Вселенной) при этом обеспечиваются автоматически. Это и есть «первичный толчок», причем именно такой, что отвечает на поставленные вопросы.

Героями второй космологической революции стали Алексей Старобинский, разработавший исторически первую жизнеспособную модель инфляции, Алан Гут (Alan Guth), разработавший и очень хорошо мотивировавший сценарий инфляции, который «пошел в народ» и фактически сменил космологическую парадигму (хоть и был неправильным в конкретной реализации), и Андрей Линде, который довел теорию инфляции до ума и сделал следующий шаг.

Этот шаг заключался в открытии довольно очевидного факта: процесс инфляции не заканчивается формированием Вселенной, а продолжается вечно, рождая бесконечное число вселенных, похожих и совершенно не похожих друг на друга. Есть и другие герои истории, но здесь как всегда возникает проблема, где подводить черту.

Рябь Вселенной

Реликтовое излучение, обнаруженное в 1964 году, не что иное, как свет, испущенный плазмой, заполнявшей Вселенную, когда ей было 380 тыс. лет от роду. В тот момент плазма превратилась в нейтральный газ, прозрачный для фотонов. Говоря по-научному, произошла рекомбинация. Плазма на отметке 380 тыс. лет закрывает всё, что дальше от нас по времени и по расстоянию, — она не прозрачна для электромагнитных волн, а другие мы регистрировать не можем. Эта плазма как экран, и у нас есть снимок этого экрана — карта реликтового излучения. Что мы видим на этой карте? Почти тридцать лет на ней не видели ничего.

Вселенная однородна только на очень больших масштабах — 300 млн световых лет и больше. А на меньших мы видим скопления и сверхскопления галактик, «стены» и «войды». Откуда взялась эта структура? Если бы Вселенная была изначально совершенно однородной, то она бы не смогла образоваться. Должны быть затравочные неоднородности, которые впоследствии сгустились в галактики и их скопления. И эти неоднородности должны быть видны на карте реликтового излучения. Но долгое время, вплоть до начала 1990-х, карта представала совершенно однородной, лишенной каких-либо деталей. В какой-то момент казалось, что космология зашла в тупик. В начале 1990-х, наконец, увидели «пятнистость» карты. Ее контраст был очень маленьким, всего 10^-5, но вполне достаточным для объяснения структуры Вселенной. Как возникли эти неоднородности?

Оказывается, это тоже сделала инфляция. Неоднородности, из которых сгустились галактики и их скопления, — результат квантового эффекта. Гигантские скопления галактик — результат квантовых флуктуаций, имевших место во время инфляции! Звучит невероятно, и когда-то многие космологи отказывались признавать то, что сейчас считается общепринятой вещью. Действительно, все неоднородности Вселенной возникли как квантовые флуктуации размером 10^-27 см, которые затем были растянуты инфляцией на много порядков величины. Потом они выросли в размере еще почти на 30 порядков вместе с расширяющееся Вселенной, некоторые — до мегапарсеков, стали более контрастными за счет гравитационной неустойчивости и сконденсировались в галактики и их скопления.

Предсказания теории инфляции в точности подтвердились, когда карта  реликтового излучения была снята с высочайшим качеством аппаратами WMAP и «Планк». Это произошло недавно: итоговые результаты WMAP опубликованы в конце 2012 года, а первые результаты «Планка» — в начале 2013-го. Согласие теории и наблюдений оказалось триумфальным. На рис. 1 показан так называемый спектр мощности неоднородностей реликтового излучения, который получается при разложении карты реликтового излучения по угловым гармоникам. Волны на этом спектре — результат интересного эффекта под названием «Сахаровские осцилляции», или «Акустические осцилляции», — ему посвящена наша с Валерием Рубаковым статья в ТрВ-Наука № 83 от 19 июля 2011 года. Согласие между теорией (непрерывная кривая) всего с шестью подгоночными параметрами со столь сложной наблюдаемой картиной просто поразительно. Оно означает, что космологи очень хорошо понимают, что и как происходило в ранней Вселенной. И часть теории, описывающей данные, завязана как раз на космологическую инфляцию. Эта часть — спектр первичных неоднородностей, генерируемых инфляцией, который был впервые вычислен Вячеславом Мухановым и Геннадием Чибисовым в 1981 году. Так что триумфальное согласие теории и эксперимента на рис. 1 является также и триумфом теории инфляции.

Но картина осталась незаконченной: подтвердилось лишь то, что касалось так называемых скалярных возмущений. Дело в том, что теория предсказывала кое-что еще.

Недостающая деталь

Квантовые флуктуации, имевшие место на стадии инфляции, дали не только неоднородности плотности: они также породили реликтовые гравитационные волны. Еще до возникновения теории инфляции Леонид Грищук показал, что в расширяющейся Вселенной генерируются гравитационные волны. Впоследствии Алексей Старобинский количественно описал этот процесс для случая космологической инфляции. Гравитационные волны, как и скалярные возмущения плотности, тоже растягивались инфляционным «конвейером» от длин 10^-27 см до широкого диапазона масштабов. Эти волны живут и поныне. В отличие от микроволнового излучения (реликта эпохи рекомбинации, имевшей место через 380 тыс. лет после Большого взрыва), гравитационные волны — это прямой реликт эпохи космологической инфляции, развернувшейся за 10^-35 с до Большого взрыва.

Теория инфляции подкреплена множеством фактов и доводов, но еще остается зазор для альтернативных возможностей объяснить происхождение Вселенной. Детектирование реликтовых гравитационных волн, пожалуй, должно окончательно расставить точки над i. После такого открытия за теорию космологический инфляции можно точно давать Нобелевскую премию. И еще одну за само открытие.

Амплитуда реликтовых гравитационных волн слишком мала, чтобы их можно было зарегистрировать рукотворными детекторами. Но тут на помощь опять приходит тот самый «экран», который закрывает от нас раннюю Вселенную, — плазма эпохи рекомбинации. Она и играет роль детектора, «записывая» результат в том же реликтовом излучении, которое принесло нам остальную информацию. Говоря конкретно, гравитационные волны можно увидеть двумя способами: в поляризации реликтового излучения и через спектр его неоднородностей. Первый способ более прямой, с него и начнем.

Поляризация реликтового излучения — довольно тривиальная вещь. Она возникает при последнем комптоновском рассеянии фотонов на электронах: у фотона появляется линейная поляризация, перпендикулярная плоскости рассеяния. Если среда однородна и не движется, никакой поляризации нет — всё замывается, нет выделенного направления. Но среда, как мы видим по карте реликтового излучения, неоднородна и участвует в сложных движениях. И поляризация, как выясняется, тоже есть: WMAP и «Планк» ее прекрасно чувствует. Но причем здесь гравитационные волны?

Оказывается, гравитационные волны дают другую картину поляризации, нежели обыкновенные неоднородности. Их вклад можно отличить и выделить.

Грубо говоря, картинка поляризации на небе выражается полем векторов, имеющих направление и длину. Такое поле может выглядеть как электрическое — может быть представлено как результат статического распределения зарядов. А может выглядеть как магнитное, наведенное статическим распределением токов. Эти поля четко различаются на языке дифференциальной геометрии. Первый тип поля называется Е-модой, второй — В-модой. Любое произвольное поле поляризации можно разложить на Е и В составляющие. Оказывается, что В-моду могут дать только гравитационные волны, но никак не неоднородности плазмы и их акустические колебания.

Правда, на пути выявления В-моды есть проблема: гравитационные линзы. Ими служат скопления галактик и элементы крупномасштабной структуры Вселенной. Эффект заключается в том, что линзы, искривляя траекторию фотонов реликтового излучения, частично переводят Е-моду в В-моду. Важно суметь выделить эффект от гравитационных волн на фоне эффекта линзирования. Есть еще пара проблем, которые обсуждены ниже.

Вторую возможность почувствовать первичные гравитационные волны дает так называемый эффект Сакса — Вольфа. Фотон, проходя через возмущения гравитационного поля, меняет частоту, испытывая красное или фиолетовое смещение, — это меняет температуру реликтового излучения. Причем эффект сильнее выражен для крупномасштабных возмущений. Поэтому эффект Сакса — Вольфа должен «приподнимать» спектр мощности неоднородностей на рис. 1 — слева от главного пика (l = 50…150).

Предыдущие данные

До сих пор следов реликтовых гравитационных волн не видели ни одним из двух перечисленных методов. Фиксировались только верхние пределы. Вклад реликтовых гравитационных волн традиционно определяется как отношение спектров мощностей так называемых тензорных возмущений (именно их и дают гравитационные волны) и скалярных (обычных) неоднородностей и обозначается, как r. Лучший верхний предел следует из данных WMAP и «Планка»: r < 0,12 (на уровне достоверности 95%) — практически одинаковый для обоих аппаратов. Это ограничение получено из анализа спектра мощности (рис. 1). Больший вклад гравитационных волн привел бы к задиранию экспериментальных точек в левой части графика относительно теоретической кривой.

Этот предел уже поставил под сомнение некоторые конкретные модели инфляции, причем самые простые. Пока наилучшим образом под него укладывается модель Старобинского, правда не она одна. Эта модель предсказывает величину r ~ 0,005. Если это предсказание верно, то до открытия реликтовых гравитационных волн должно пройти еще несколько лет — как ни мала величина эффекта, наблюдатели доберутся и до этого уровня, но всему свое время.

Лучшее ограничение на гравитационные волны через измерение B-моды, полученное наземными микроволновыми телескопами: r < 0,78 (на уровне достоверность 95%). Это данные эксперимента BICEP, развернутого на Южном полюсе. Следующая очередь этого же эксперимента, BICEP2, и произвела нынешнюю сенсацию.

Есть В-мода?

BICEP2 — довольно маленький по размеру микроволновый телескоп (см. фото на левом развороте). Угловое разрешение — всего полградуса, зато очень низкие шумы и высокая чувствительность. Это, в частности, достигается за счет охлаждения жидким гелием основных элементов телескопа. Измерения, результаты которых только что опубликованы, проводились три сезона с 2010 по 2012 год.

На рис. 2 показаны снятые карты поляризации, разложенные на Е-моду (слева вверху) и В-моду (слева внизу). Длина черточек пропорциональна степени линейной поляризации, направление указывает направление поляризации. Справа — результат численного моделирование Е- и В-моды для случая, когда гравитационные волны отсутствуют (напомним, В-мода в этом случае появляется за счет гравитационного линзирования).

Невооруженным глазом видно, что В-мода заметно превышает фон от гравитационного линзирования. По отношению к скалярным возмущениям результат по гравитационным волнам выражается как r = 0,2^+0,07_-0,05, что неожиданно много. Научная общественность уже настроилась на то, что результат окажется существенно ниже.

Звон бокалов и сомнения

В комментариях по поводу открытия преобладает торжествующий тон. Действительно, детектирование реликтовых гравитационных волн — важнейший результат, ставящий точку в космологической революции, связанной с теорией инфляции. С виду результат выглядит надежным. Но в отличие от триумфа теории и эксперимента, состоявшегося в результате экспериментов WMAP и «Планк», в данном случае остаются вопросы. Главный из них: не противоречит ли результат данным вышеупомянутых экспериментов? Иными словами, сигнал от гравитационных волн оказался подозрительно большим.

В принципе, величина r ~ 0,2 вполне вписывается в простейшие варианты теории инфляции. Но она на три стандартных отклонения противоречит верхнему пределу «Планка», поставленному с опорой на эффект Сакса — Вольфа. Вероятность случайного отскока результата на три стандартных отклонения — два шанса из тысячи. Маловато. Правда, ограничение r < 0,12 справедливо только в предположении, что распределение неоднородностей реликтового излучения по угловому размеру (спектр мощности) описывается чисто степенным законом. Если отказаться от этого предположения, можно сильно смягчить противоречие. В препринте BICEP2 приведена картинка из статьи по результатам «Планка» именно в той версии, где предположение о чисто степенном спектре снято. Поэтому возникает впечатление согласия.

Автор проконсультировался по этому поводу со специалистами. Складывается следующая картина. Для согласия между BICEP2 и «Планком» требуется так изогнуть спектр мощности, что это требует изрядного насилия над теорией. А если не делать этого насилия, то эффект Сакса — Вольфа «задерет» спектр, показанный на рис. 1 слева (l < 150) примерно на 10%, что при данной точности будет явно противоречить данным.

Где возможна ошибка эксперимента, завышающая результат? Первое, что приходит в голову: недооценили эффект гравитационного линзирования, способного имитировать В-моду. С другой стороны, эффект линзирования исследован вдоль и поперек, существуют компьютерные программы для его моделирования. Неужели здесь может крыться какая-то ловушка?

Авторы статьи рассматривают и другой возможный источник фона, имитирующего эффект: поляризованная пыль в Галактике, частицы которой ориентируются в космическом магнитном поле. Рассеяние фотонов на этой пыли дает поляризацию, способную имитировать любую моду. BICEP2 не может выделить ее вклад, поскольку принимает только одну частоту. Это может сделать «Планк». Авторы е-принта признают, что карты распределения пыли для исследованного участка неба нет — она вскоре появится — в следующем релизе «Планка». Пока они используют модели распределения пыли и получают успокоительный вывод о том, что этот фон относительно безопасен для главного результата. Однако приходится слышать высказывания квалифицированных людей о том, что с поляризованной пылью не всё так просто и что именно здесь может быть «зарыта собака».

Но не будем гадать и забегать вперед — вряд ли вопрос о подозрительно большом вкладе реликтовых гравитационных волн зависнет на долгие годы. Во-первых, вскоре «Планк» должен прояснить ситуацию с фоном поляризованной пыли. Во-вторых, параллельно идут аналогичные эксперименты, в том числе и на Южном полюсе. Будут исследованы другие участки неба, появятся независимые результаты. Наверняка большие силы мобилизуются на изучение всевозможных эффектов, влияющих на результаты измерений. Вряд ли ответы заставят себя долго ждать.

Попробуем подытожить. Сделана серьезная заявка на важнейшее открытие, возможно ставящее точку в космологической эпопее, начавшейся более 30 лет назад. Уже раздается звон бокалов, но с окончательным празднованием победы революции в космологии, по-моему, следует немного повременить. Еще не все концы сведены с концами и не все подозрения развеяны. Впрочем, даже если результат не подтвердится, он всё равно окажется полезной встряской, мобилизующей людей на прорыв в этой важнейшей области. Такое уже случалось в космологии.