Что гравитационные волны рассказали о Вселенной и Большом взрыве

Что гравитационные волны рассказали о Вселенной и Большом взрыве

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.

Newsland.ru

Похожие новости:
Представлен обнаруживший гравитационные волны ученый
Первым человеком, зарегистрировавшим гравитационные волны — возмущения пространства-времени, предсказанные сто лет назад создателем общей теории относительности Альбертом Эйнштейном, стал итальянский ученый из Падуи Марко Драго, работающий в Институте гравитационной физики Общества Макса Планка в Ганновере. Об этом ..
2016-02-13 1520 0 Научные открытия
1
Вновь зафиксированы волны пространства-времени
Коллаборация LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) второй раз зафиксировала возмущения пространства-времени — гравитационные волны. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает в среду, 15 июня, издание EurekAlert!Гравитационные волны, как показали ученые, возникли в результате слияния ..
2016-06-15 1782 0 Научные открытия
0
Нобелевский лауреат предположил открытие суперсимметрии
Физики из Университета Джонса Хопкинса, среди которых — лауреат Нобелевской премии Адам Рисс, предположили, что коллаборация LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) косвенно подтвердила существование суперсимметрии. Исследование авторов опубликовано на сайте arXiv.org.Физики полагают, что обнаруженные LIGO ..
2016-03-07 2025 0 Научные открытия
0
Получены доказательства существования гравитационных волн
Астрофизики обнаружили характерную картину поляризации реликтового микроволнового излучения, которая является наиболее прямым доказательством существования гравитационных волн и справедливости инфляционной модели Вселенной. По словам многих ученых, в случае подтверждения открытие может быть удостоено Нобелевской ..
2014-03-18 2276 0 Научные открытия
0
Составлена первая трёхмерная модель взрыва сверхновой
Японские астрономы приоткрыли завесу тайны над одним из самых загадочных явлений во Вселенной. С помощью современного оборудования они измерили и смоделировали форму ударной волны сверхновой – завершающего этапа жизни сверхмассивных звёзд. Команда учёных использовала инструмент FOCAS (камера ..
2012-08-7 1402 0 Научные открытия
0
Крупнейшие обсерватории впервые объединили усилия по поиску гравитационных волн
Европейская гравитационная обсерватория Virgo 1 августа 2017 года начала поиск гравитационных волн, присоединившись к двум детекторам американского эксперимента LIGO. Теперь в случае фиксации гравитационной волны всеми тремя приборами ученые смогут точно установить координаты ..
2017-08-02 18086 0 Научные открытия
0
Коллаборация LIGO зафиксировала сигнал гравитационных волн
Участникам проекта Advanced LIGO удалось зафиксировать сигнал от гравитационных волн акустического диапазона. Об этом представители коллаборации объявили на пресс-конференции Национального научного фонда США, начавшейся в 18:30 по Москве в Вашингтоне.Статья с результатами исследования была принята к публикации в журнале Physical Review Letters и уже появилась на сайте журнала.«Мы ..
2016-02-11 1730 0 Научные открытия
0
Зарегистрирована четвертая гравитационная волна. Сразу на трех детекторах
Участниками коллаборации LIGO/VIRGO была зарегистрирована новая гравитационная волна, образованная в результате слияния двух черных дыр, причем ее зафиксировали сразу три детектора, включая запущенный совсем недавно детектор VIRGO в Италии. Это уже четвертый случай фиксации гравитационных волн, однако ..
2017-10-09 11520 0 Научные открытия
0
Исследователь назвал бессмысленным открытие бозона Хиггса
Сторонник теории о том, что эксперименты, проводимые на Большом адронном коллайдере - опасны, исследователь-физик Евгений Довгель рассказал об этом «Русской службе новостей». «Теоретическая физика давно находится в кризисе. И запуск коллайдера - это надежда вырваться из него. Коллайдерная физика открывает те частицы, ..
2012-07-4 2752 0 Научные открытия
0
Торт раскрыл тайну гравитационных волн раньше ученых
Исследовательница Эрин Райан (Erin Ryan), работающая в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА, случайно сообщила об обнаружении волн пространства-времени раньше ученых. Женщина опубликовала на своей странице в Twitter фотографию торта с поздравлениями за 16 минут до того, как миру ..
2016-02-13 1881 0 Научные открытия
0
Физики рекордно сжали свет
Физики из Института гравитационной физики (Университет Лейбница) добились рекордного сжатия квантового состояния света. Ученые добились уменьшения флуктуаций амплитуды в 32 раза по сравнению со значениями флуктуаций в традиционных измерениях. Это в полтора раза улучшает предыдущий рекорд. Подобные сжатые ..
2016-09-08 1960 0 Научные открытия
0
Астрофизики построили рекордно точную вселенскую «линейку»
Астрофизики, участвующие в проекте BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, Спектроскопический обзор барионных осцилляций) составили трехмерную карту ближайшей Вселенной с рекордной точностью. Ошибка определения расстояний в ней составляет не более одного процента. Работа выложена в виде препринта ..
2014-01-09 1802 3 Научные открытия
0
Искать связанные с бозоном Хиггса частицы предложили всем желающим
Американские ученые запустили проект «Охотники на Хиггса» (Higgs Hunters), в рамках которого любой желающий может рассматривать изображения, записанные на Большом адроном коллайдере (БАК), и находить ранее неизвестные элементарные частицы. О проекте сообщается в пресс-релизе Нью-Йоркского университета. «Теперь, ..
2014-11-30 1627 0 Научные открытия
-1
Ученые запустили проект "Охотники на Хиггса"
Американские ученые запустили проект «Охотники на Хиггса» (Higgs Hunters), в рамках которого любой желающий может рассматривать изображения, записанные на Большом адроном коллайдере (БАК), и находить ранее неизвестные элементарные частицы. О проекте сообщается в пресс-релизе Нью-Йоркского университета. «Теперь, ..
2014-11-30 1797 0 Научные открытия
-1
Ученые предложили новую модель вселенной
Космологи давно предполагали, что Вселенная – бесконечна, но не беспредельна. Это означает, что у нее есть ограниченные размеры, но добраться «до конца мира» - невозможно. Если бы даже нашелся кто-то, кто попытался пересечь Вселенную, он вернулся бы к той точке, с которой начал – подобному тем, ..
2012-09-19 2748 0 Научные открытия
0