Великое закрытие реликтовых гравитационных волн
О тайнах реликтового излучения, гипотезе первичных гравитационных волн
и о том, как желание быть первым влияет на результаты экспериментов
Особенность реликтового излучения состоит в том, что там есть что-то, чего мы не знаем. Появляется много разных работ, в которых рассматриваются возможности обнаружения частиц темной материи, аксионов, как они могли бы взаимодействовать с излучением нашей Галактики, как это могло бы сказаться в миллиметровом диапазоне и отложиться на карте реликтового излучения. Мы по отпечаткам или по тому, как бы они взаимодействовали в направлении групп звезд или других галактик, можем пусть не измерить, но определить верхние границы их параметров. Может быть, есть что-то такое, чего мы даже и не знаем, но оно существует в реликтовом излучении, потому что данных так много, что, когда появятся новые гипотезы, будет возможность их проверить.
Есть одна гипотеза, которую очень хочется проверить, и мы не знаем, работает она или нет. Эта гипотеза связана с самой ранней эпохой существования Вселенной, эпохой инфляции, которая по разным моделям закончилась, когда Вселенная была либо 10-33, либо 10-35 секунды Это эпоха, когда Вселенная практически из точки, размера 10-33 сантиметра, за 10-35 секунды стала порядка нескольких миллиметров — это раздувание с огромной скоростью, со скоростью, большей скорости света.
Никакого нарушения законов природы не было, потому что сами неоднородности, которые в это же время появлялись, не двигались быстрее скорости света. Пространство мы можем раздувать как угодно, с какой угодно скоростью. Главное, чтобы информация не переносилась быстрее скорости света.
В эту эпоху, когда мы практически пустоту, в которой рождаются частицы, раздуваем, должны были бы возникнуть первичные гравитационные волны. Мы меняем масштабы неоднородностей: у нас меняется распределение гравпотенциала, у нас появляется то, что называется первичные гравитационные волны. Эти первичные гравитационные волны начинают путешествовать по Вселенной и раздуваются вместе с ней. Если они были, то сейчас их масштабы должны быть миллиарды световых лет. Никаким образом эти гравитационные волны сейчас на таких масштабах неба мы увидеть не можем.
Мы можем их увидеть по их влиянию в самые ранние эпохи, когда после периода инфляции появилось вещество. Оно собиралось в неоднородности большего масштаба, росло, притягивало к себе новые. Гравитационные волны проходили через эти неоднородности и меняли свойства реликтового излучения. Если у нас есть скопление заряженного вещества и фотоны проходят через это скопление, то они меняют свою поляризацию.
Если мы запускаем искривление пространства, путешествующее через эти неоднородности, то поляризация становится вихревой, и мы можем ее зарегистрировать по B-моде. Тогда мы можем сказать, что инфляция была. В отличие от прогнозов, которые выполняются, исходя из инфляционной модели, это распределение неоднородностей реликтового излучения по амплитудам гауссово, точно так же как шум в телевизоре, дартс на доске, скопления галактик на небе по массам.
Исходя из данных реликтового излучения, мы понимаем, что Вселенная плоская: ее кривизна на масштабах десятков миллионов световых лет равна нулю. Это значит, что в такой Вселенной сумма углов треугольников равна 180 градусам, как бы мы их ни рассматривали. Мы измерили скорость роста неоднородностей по данным реликтового излучения на больших масштабах. Соотношение приблизительно равно 0,97 — то, что и предсказывалось теорией инфляции. Но мы не измерили главного: была ли она? Главное подтверждение — это обнаружение гравитационных волн, поэтому десятки ученых хотят подготовить эксперименты, чтобы разобраться, как все было.
С этим вопросом связано то, что можно назвать закрытием великого открытия. Если бы удалось обнаружить первичные гравитационные волны, то фактически открытие было бы достойно четырех Нобелевских премий. Это открытие нового поля в физике элементарных частиц, которое связано с эпохой быстрого расширения, его назвали инфлатонным, инфляционным полем или инфлатон. Хотя инфлатон по умолчанию — это возбуждение этого поля. Как бозон Хиггса — возбуждение поля Хиггса, так и здесь инфлатон.
Эпоха инфляции была предсказана в работах наших соотечественников Алексея Старобинского и Андрея Линде, ее также разрабатывали американские ученые Алан Гус и Пол Стейнхардт. Само слово «инфляция» было предложено Аланом Гутом, вся теория фактически приобрела тот вид благодаря работам Андрея Линде, а Алексей Старобинский показал, что есть такое решение, еще в 1979 году.
Доказательство существования эпохи инфляции -- это уровень Нобелевской премии, так же как первичные гравитационные волны и просто гравитационные волны — это уровень Нобелевской премии. Мы знаем, что открытие гравитационных волн привело к присуждению Нобелевской премии создателям гравитационного телескопа LIGO.
Факт того, что из квантовых флуктуаций у нас образуются, генерируются гравитационные волны, показывает, что гравитация квантуется, значит, теория квантовой гравитации существует. Мы только не можем ее правильно описать. Как говорят физики, теории существуют, нужно просто выбрать правильную и доработать ее, и это будет прямое указание, что гравитационные волны есть. Эти четыре открытия на самом деле вшиты в одно.
Об открытии гравитационных волн было объявлено на пресс-конференции, посвященной тому, что что-то случилось на телескопах американских университетов BICEP-2 вблизи Южного полюса, в Антарктиде. Пошли слухи, что что-то открыли, это было еще до открытия гравитационных волн, связанных со слиянием черных дыр. Когда они объявили, что открыли первичные гравитационные волны, была радость, совместимая с шоком, потому что совершена фундаментальная вещь.
Команда BICEP-2 спешила, потому что «Планк» должен был опубликовать свои данные через полтора месяца, нужно было опередить их. Но проблема была в том, что они наблюдали на одной частоте, а известно, что, когда вы проводите эксперимент на одной частоте, вы не можете правильно отработать влияние пыли, и это не было сделано. Они использовали данные WMAP с плохим разрешением, порядка сорока минут, и учли свойства пыли на масштабах больше этого времени. Оказалось, что этого не хватило: нужно было построить спектр с протяжкой в субмиллиметровую область, которой не было в WMAP и которую было сложно предсказать, как она выглядит на больших масштабах. «Планк» это сделал.
Но перед этим была пресс-конференция, а перед ней был снят фильм, как представитель группы BICEP приходит в дом к Андрею Линде, как они открывают шампанское, как Андрей Линде смотрит и ему говорят, что инфляция открыта. Фильм обошел физические институты. Но сомнения были, они возникали периодически.
Несколько лет назад Роджер Пенроуз, известный английский математик и физик, один из разработчиков теории черных дыр, предсказывал круги на реликтовом излучении. Они вместе с Григором Гурзадяном, армянским астрофизиком, сделали работу, где видели круги, которым приписывали существование других Вселенных, проявляющихся через сверхмассивные черные дыры, которые перед сжатием Вселенной меняли свойства пространства и в дальнейшем отпечатывались при рождении Вселенной. Вселенная сжималась, дальше расширялась, а вот то, что делали сверхмассивные черные дыры до сжатия, оставалось в другой Вселенной, потому что при сжатии она через сингулярность не проходила: то есть Вселенная не сжималась до сверхплотного состояния, и информация не терялась.
Эти круги на самом деле объясняются проще: это остатки вспышек сверхновых, которые объединяются и создают определенные структуры. Именно эти остатки вспышек сверхновых гигантского масштаба после объединения играют существенную роль при исследовании поляризации реликтового излучения. Оказалось, что группа BICEP-2 наблюдала область неба, через которую проходит одна из оконечностей северного полярного шпура, который начинается от северного галактического полюса, проходит через плоскость галактики и доходит до середины южного галактического полушария. И если мы продолжим этот круг, то на это место попадает наблюдение BICEP-2.
Это значит, что в этой области может сконцентрироваться пыль, которая имеет вкрапления металла, а раз это вкрапления металла, она впечатывается и охлаждается магнитным полем, она по-другому излучает. Это можно было бы предсказать, если бы коллеги из BICEP-2 занимались остатками сверхновых и поведением пыли в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне.
Немедленно появилась работа сотрудников института Нильса Бора в Дании, где говорилось, что то, что говорит BICEP-2, скорее всего, вызвано пылью. Особенность была связана с тем, что амплитуда, предсказанная B-моды поляризации, слишком большая по отношению к той, которая должна быть. Это противоречило данным реликтового излучения в угловом спектре мощности, который описывает разные масштабы неоднородностей в реликтовом фоне, связанном с различными свойствами. Поэтому хотелось найти что-то, что связано именно с пылью, и это подтвердилось. Через полтора месяца после объявления «Планк» показал, что такая штука обусловлена исключительно пылью просто по спектру.
Это гигантский урок для физиков, астрофизиков и космологов. Если вы будете спешить, вы не рассмешите людей, но к вашим дальнейшим результатам ученые могут относиться с сомнением. Каждый следующий шаг требует серьезной проверки.
Этот случай также показал, что мы сейчас не можем скрывать результаты научных данных: немедленно любое открытие начинает активно обсуждаться в интернете. Это новое свойство современной астрофизики, физики. Все, что происходит, влияет на общественное сознание, которое в ответ влияет на самих ученых. И это новая реальность. Скорее всего, человечество от этого выиграет.
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Спецастрофизобсерватории РАН, Нижний Архыз
Опубликовано: 7 января 2019
Серия сообщений "Научно-технический прогресс /2/":
Часть 1 - ИТЭР: медленно, но верно
Часть 2 - Санкции санкциями, а наука не врозь
...
Часть 20 - Хиггс открыт. Что дальше на LHC?
Часть 21 - Лептокварки нашли. Пока только в расчётах
Часть 22 - О влиянии сети на некоторые открытия
Часть 23 - Всё (ну, почти всё) о состоянии проекта СКИФ
Часть 24 - Вслед за бозоном Хиггса сдался и чармоний-3
...
Часть 48 - В Дубну доставили магнит для коллайдера NICA
Часть 49 - FAIR постучится в антимиры
Часть 50 - Тем временем на Марсе
Немедленно появилась работа сотрудников института Нильса Бора в Дании, где говорилось, что то, что говорит BICEP-2, скорее всего, вызвано пылью. Особенность была связана с тем, что амплитуда, предсказанная B-моды поляризации, слишком большая по отношению к той, которая должна быть. Это противоречило данным реликтового излучения в угловом спектре мощности, который описывает разные масштабы неоднородностей в реликтовом фоне, связанном с различными свойствами. Поэтому хотелось найти что-то, что связано именно с пылью, и это подтвердилось. Через полтора месяца после объявления «Планк» показал, что такая штука обусловлена исключительно пылью просто по спектру.
Опубликовано: 7 января 2019
