Гравитационные волны открыты?

Американские физики объявили об обнаружении первичных гравитационных волн, возникших на этапе инфляции при образовании нашей Вселенной.

Об открытии сообщили представители коллаборации BICEP2 под руководством профессора Гарварда Джона Ковача на состоявшейся 17 марта в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики пресс-конференции. Если результаты получат подтверждение, то это станет одним из важнейших открытий в современной науке, достойным, по мнению специалистов, Нобелевской премии.

Причин для такой высокой оценки сразу несколько. Во-первых, впервые удалось обнаружить гравитационные волны, предсказанные общей теорией относительности (ОТО) Эйнштейна еще в 1916 году. До этого момента они оставались неуловимыми, несмотря на свою почти вековую историю. Было разработано много методов обнаружения и сверхточных приборов огромных размеров, но достоверных результатов их регистрации получено не было. Вся проблема в чрезвычайной малости этих волн в окрестности Земли. Так что, несмотря на достаточную экспериментальную обоснованность ОТО, это открытие станет еще одним существенным аргументом в ее пользу. 

Во-вторых, получено еще одно подтверждение инфляционной теории в современной космологии, что дает нам информацию о происхождении и эволюции нашей Вселенной.

И, наконец, в-третьих, это дает в руки ученым новый метод исследования Вселенной, позволяющий оценить количественно процессы, которые привели к рождению этих волн.

Открытие было сделано на основе измерений поляризации реликтового излучения или, как называют его на Западе, космического микроволнового фона. Это электромагнитное излучение, равномерно заполняющее всю вселенную, – отголосок процессов, происходивших на начальном этапе развития нашей Вселенной. Предсказанное в рамках теории Большого взрыва, оно является одним из важнейших аргументов в пользу этой космологической теории. В результате рассеяния на различных частицах (атомах, электронах) реликтовое излучение приобрело линейную поляризацию. Это означает, что вектор электрического поля в электромагнитной волне колеблется в определенной плоскости. Измерение поляризации заключается в определении направления этого колебания и его выраженности (степени). В повседневной жизни мы сталкиваемся с подобной поляризацией при рассеянии света в атмосфере или при отражении от поверхности воды. Фотографы, надевая на объектив поляризационные фильтры, могут избавляться от бликов на воде.

Авторы открытия составили карты распределения в пространстве направлений поляризации реликтового излучения (структуру поляризации), анализ которого позволяет сделать вывод о механизме поляризации. Дело в том, что при обычном рассеивании возникает так называемая Е-мода поляризации. В этом случае структура поляризации элементарных областей на карте имеет зеркальную симметрию (см. рис. 3). Эта мода была впервые обнаружена в 2002 году на интерферометре DASI. Если же поляризация связана с гравитационными волнами, то ситуация меняется. Гравитационные волны, сжимая пространство, могут приводить к появлению не только Е-моды, но и так называемой В-моды поляризации. В последнем случае структура поляризации имеет характерный спиральный вид; ее часто называют «завитком», а саму моду вихревой. Такая структура B-моды обусловлена тем, что гравитационные волны, как и электромагнитные, могут иметь левую и правую поляризации (для электромагнитной волны это означает вращение вектора электрического поля в разные стороны). Таким образом, обнаружение В-моды поляризации в реликтовом излучении означало бы соответственно и обнаружение гравитационных волн. 

Однако слабость гравитационных волн не позволяет создать сильную поляризацию. Здесь на помощь может прийти инфляция. Дело в том, что в соответствии с ОТО гравитационные волны порождаются ускоренным движением массивных тел. А в период инфляции, почти сразу после рождения, Вселенная расширялась с просто чудовищным ускорением и за чрезвычайно короткое время порядка 10^-35 с увеличилась более чем в 10³⁰ раз. При этом должно было произойти усиление гравитационных волн, называемых первичными. Это усиление настолько значительно, что созданную ими поляризацию излучения можно обнаружить через 14 млрд лет. Именно поэтому обнаружение В-моды поляризации в реликтовом излучении означало бы одновременно и подтверждение инфляционной гипотезы.

Изучение первичных гравитационных волн даст бесценную информацию о процессах в первые мгновения после рождения Вселенной. Кроме того, столь мощные гравитационные волны могут оказать большое влияние на формирование галактик. И учет этого фактора, возможно, позволит объяснить быстрое формирование галактик и существование более крупномасштабной структуры в их распределении, чем ожидалось.

К удивлению авторов открытия В-моду поляризации удалось обнаружить легко, но еще три года ушло у них на повторные наблюдения, проверку результатов и анализ других факторов, которые могли бы приводить к образованию В-моды поляризации. В частности, гравитационное микролинзирование может трансформировать Е-моду в В-моду (проще говоря, прохождение излучения вблизи очень массивных объектов приводит к закручиванию поляризации). Именно такое происхождение имеет В-мода поляризации, обнаруженная в прошлом году на телескопе SPT. Как утверждают авторы открытия, эффект первичных гравитационных волн значительно выше, что позволяет отфильтровать нужные данные. Маловероятным оказалось и влияние космической пыли. Впрочем, некоторые специалисты высказывают сомнения в том, что было измерено действительно действие первичных гравитационных волн. Так что этот вопрос будет еще обсуждаться и проверяться.

Заметим, что проект BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization – фоновое изображение космической внегалактической поляризации) – не единственный в котором таким способом производился поиск первичных гравитационных волн. Эта работа велась еще целым рядом исследовательских групп, в том числе и на спутнике-обсерватории Европейского космического агентства «Планк». Там еще подобного результата не получили, но данные продолжают обрабатываться и есть определенные основания полагать, что они не противоречат представленным результатам. Так что будем ждать подтверждения. 

Работа была проведена на телескопе BICEP2, установленном на американской антарктической станции Амундсен-Скотт на Южном полюсе. Это одно из самых сухих и ясных мест на Земле, идеально подходящее для наблюдения на Земле слабого реликтового излучения.

По материалам http://www.cfa.harvard.edu/