Вчера американские ученые выступили с сообщением, которое вызвало огромный интерес в научном мире: творческому содружеству BICEP2 удалось обнаружить следы гравитационных волн, которые появились в первые мгновения жизни Вселенной. Это не только доказывает так называемую теорию экспоненциальной инфляции, но и подтверждает правильность общей теории относительности.
Согласно существующей теории, как доложили ученые во время своего доклада в Гарвард-Смитсоновском астрофизическом центре, в первые мгновения после так называемого Большого взрыва происходило стремительное расширение (или, по-научному, экспоненциальная инфляция) пространства-времени. При этом возникшие гравитационные волны должны были воздействовать с первичным излучением Большого взрыва. Долгое время такое взаимодействие было только предположением, а значит, и инфляционная теория оставалось только гипотезой. Но вот наконец удалось найти веские доводы – увидеть следы древней катастрофы.
Эхо Большого взрыва
Примерно 14 млрд лет (в земном исчислении) назад произошло событие, от которого отсчитывают существование Вселенной – Большой взрыв. Электромагнитное эхо этого взрыва, так называемое реликтовое излучение, изотропно: если бы мы могли его увидеть, то это было бы почти однородное белое свечение всего неба. Но это нам не удастся – излучение крайне холодное, его температура всего на 3 градуса выше абсолютного нуля. На практике уловить его крайне сложно.
Существование реликтового излучения предсказали Георгий Гамов и Ральф Альфер в 1948 году. Это был обязательный компонент созданной ими теории Большого взрыва. Однако искать это излучение специально никто не собирался. Обнаружено оно было случайно в 1965 году американцами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном, которые работали в лабораториях компании Bell в Нью-Джерси. Повышая чувствительность своего радиотелескопа, они обнаружили, что их антенна имеет избыточную температуру в 3ºК. Это и было реликтовое излучение.
За открытие реликтового излучения Пензиас и Вильсон получили половину Нобелевской премии по физике за 1978 год. Вторая досталась советскому физику Петру Капице «за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур». Но что интересно: уже в наше время именно физика сверхнизких температур позволяет глубже заглянуть в просторы Вселенной.
По прошествии лет стало ясно, что реликтовое излучение все-таки не совсем изотропно. Есть определенные флуктуации, изменения интенсивности, например, там, где образовывались галактики и их скопления. Ученые предположили, что, поскольку реликтовое излучение является, по сути дела, одной из форм света, оно обладает и всеми свойствами света, в том числе способностью к поляризации. Мы используем это явление, надевая очки-поляроиды, которые гасят блики, – лучи, отразившиеся от воды или предметов. В космосе реликтовое излучение также взаимодействовало с материей и становилось поляризованным.
Эти разные моды
На реликтовое микроволновое излучение могли воздействовать, согласно теории, две субстанции: во-первых, космическая плазма, а во-вторых, эти самые неуловимые гравитационные волны. Плазма – это одно из состояний вещества. Все в самом холодном состоянии может быть твердым, даже легчайший газ, водород. Чем больше энергии вещество приобретает, тем становится горячее – и затем превращается в жидкость. А потом кипит и становится газом. В газ превратиться может даже самый тугоплавкий металл на свете, вольфрам. Ну а если энергии еще больше, то электронные оболочки отрываются от своих ядер; это и есть плазма. Она царит в космосе, и только она существовала в первые мгновения после Большого взрыва.
Вот именно с этой плазмой и взаимодействовали волны реликтового излучения, ускоряя их еще больше, а эти частицы, в свою очередь, сами излучали электромагнитные волны. Происходило взаимодействие, которое ученые описывают как поляризацию градиентного типа, или Е-моду. Его, как выяснилось, можно достаточно легко (ну, с точки зрения астрофизиков) засечь, что и было сделано.
Однако, согласно теориям физиков, на это реликтовое излучение должны были оказать влияние еще и гравитационные волны. Гравитационные волны – это изменение состояния пространства-времени. Например, представим себе, что в космосе летит массивная звезда, вокруг которой сформировалось собственное поле силы тяжести, то есть гравитационное поле. Но если она вдруг исчезнет, взорвется, то сила тяжести в этой части Вселенной изменится, и по космосу со скоростью света начнет распространяться гравитационная волна. Проблема в том, что зафиксировать ее на Земле или в космосе очень сложно – наши приборы будут колебаться вместе с ней, нет точки отсчета. Это все равно что измерять колебания уровня воды, сидя в лодке посередине океана с портновским метром.
К счастью для астрофизиков, во Вселенной наблюдается взаимодействие электромагнитного излучения, то есть света и силы тяжести крупных космических объектов. Еще Альберт Эйнштейн теоретически предсказывал такую возможность, которая получила название гравитационного линзирования. Астрономы и астрофизики увидели в небе такие суперлинзы: свет от удаленных объектов, проходя, например, мимо галактики, искривляется и формирует копии этих самых удаленных объектов. Так было в случае «креста Эйнштейна» – удивительной иллюзии, вызванной прохождением света далекой суперзвезды, квазара, закрываемого от нас более близкой галактикой.
Вот это самое явление гравитационного линзирования также должно было поляризовать реликтовое излучение. Такой вид поляризации называется роторным, или В-модой. Зафиксировать ее крайне сложно, так как амплитуда ее изменения всего около 0,1 микрокельвина. И ученые отправились в Антарктиду.
Темнота – друг ученых
Антарктида для исследователей место уникальное. Оно ближе к космосу: например, лаборатория на Южном полюсе находится на высоте около 2800 метров над уровнем моря. Из-за вращения Земли воздух оттягивается от полюсов, и поэтому толщина атмосферы тут меньше, чем на экваторе. Меньше атмосферы – меньше помех. Воздух здесь не только разреженный, но и крайне сухой. Практически нет осадков. Небо вращается вокруг Южного полюса мира, звезды не заходят за горизонт. На тысячи километров вокруг нет городов с их ночной световой засветкой и радиопомехами. Это идеальное место для астрофизических наблюдений, и именно здесь в 2007 году был построен радиотелескоп стоимостью почти $20 млн и высотой около 23 метров.
Ученые достаточно быстро добились впечатляющих успехов. Им удалось зафиксировать искомую В-моду с очень высоким уровнем достоверности, получить карту обследованного участка неба размером примерно в 10 раз большим, чем полная Луна. И карта эта коррелирует с измерениями Е-моды и картой распространения вещества во Вселенной, составленной ранее.
Один из руководителей проекта, Клем Прайк из Университета Миннесоты, сказал: «Мы искали иголку в стоге сена, а вместо этого нашли лом». Правда, это не сами гравитационные волны Большого взрыва, но это весомое доказательство их существования. Это доказательство того, что теория экспоненциальной инфляции верна, равно как и фундамент наших представлений о мире – общая теория относительности.
Данное открытие, несомненно, ждет награда – скорее всего, Нобелевская премия. Но изучение реликтового излучения на этом не останавливается. Ведь сделан, по сути, первый шаг. В том состоит и прелесть познания мира, что каждое новое открытие ставит еще более увлекательные задачи.
