Александр Гордон - Диалоги (июнь 2003 г.)

Вот эта карта была сформирована буквально месяц назад. Американские астрономы, которые наблюдали на спутнике WMAP, опубликовали свои результаты в начале февраля. Надо сказать, что этот спутник будет работать ещё год, и будем надеяться, что они получат ещё более точные данные.

Теперь немножко о гравитационных волнах. Анизотропия, которая сейчас наблюдается, вызвана так называемыми флуктуациями плотности. Это те флуктуации плотности, которые тоже были порождены в ранней Вселенной, и которые сейчас сформировали крупномасштабную структуру (галактики, звёзды), и благодаря чему возникли и мы с вами. Совершенно точно можно сказать, что флуктуации, которые наблюдают сейчас астрономы, это не гравитационные волны, но, тем не менее, есть основание думать, что мы уже очень близки к тому пределу, когда гравитационные волны можно будет наблюдать и в таком диапазоне частот тоже. Почему? Дело в том, что общие теоретические предсказания указывают на то, что гравитационные волны должны вызывать анизотропию примерно в 10, может быть, в 20, в 30 раз меньше, чем то, что уже зарегистрировано. Надо сказать, что чувствительность таких экспериментов очень быстро растёт со временем. Само реликтовое излучение было открыто в 66-м году, температура этого излучения – 3 градуса Кельвина. Оно, надо сказать, было открыто случайно, в результате испытания нового радиометра. Понадобилось 10 лет, чтобы открыть дипольную гармонику в анизотропии реликтового излучения, связанную с тем, что наша Земля, Солнечная система движется сквозь реликт, и из-за этого равновесное излучение кажется, с одной стороны, более ярким, с другой стороны более тусклым. Понадобилось ещё 20 лет, чтобы открыть другие гармоники в анизотропии реликтового излучения.

Теперь мы уже подошли к тому, что полностью промерен спектр этого реликтового излучения, и уже наблюдается поляризация этого излучения. Давайте я два слова скажу о том, почему это так важно. Дело в том, что гравитационные волны и скалярные возмущения, возмущения плотности, совместно производят вот эту картинку, эту рябь на поверхности последнего рассеяния, и для того, чтобы разделить вклад гравитационных волн от скалярных возмущений, от возмущений плотности, мы должны наблюдать ещё некоторые параметры этого излучения, а именно, два параметра Стокса. Вся интенсивность, все электромагнитное излучение характеризуется несколькими параметрами Стокса, это интенсивность и два дополнительных параметра, которые характеризуют поляризацию реликтового излучения. Вот поляризация реликтового излучения однозначно даст вывод о том, что гравитационные волны зарегистрированы.

И ещё два слова я скажу о том, что поляризация реликтового излучения уже открыта. Она открыта в результате проведения эксперимента, который называется «DASI», в сентябре прошлого года. Группа астрономов, которые проводили этот эксперимент, опубликовали данные о том, что они наблюдают поляризацию реликтового излучения, а на спутнике WMAP даже построили спектр, поскольку спутник – гораздо более чувствительный прибор, чем тот эксперимент, который делали астрономы с Земли. Надо сказать, что, несмотря на то, что поляризация открыта, это всё-таки поляризация, вызванная не гравитационными волнами, а опять-таки возмущениями плотности. Но это уже близко к тому пределу, когда должна наблюдаться поляризация, вызванная гравитационными волнами.

Итак, мы кратко посмотрели на все диапазоны, в которых может быть гравитационное излучение – от диапазона 1 килогерц (это звуковой диапазон) до диапазона 10 в минус пятой герц, что соответствует одному дню или нескольким часам. Потом мы посмотрели на другой способ детектирования гравитационного излучения, с помощью пульсаров, это диапазон в несколько лет. И наконец, перешли к гравитационным волнам, которые являются самыми длинными гравитационными волнами во Вселенной, которые имеют длину волны, сравнимую с горизонтом Вселенной – несколько десятков гигапарсек. Все эти волны должны нести очень интересную информацию о ранней Вселенной.

Вадим Борисович сказал уже, что очень интересная информация будет о нейтронных звёздах. Но нейтронные звёзды – это всё-таки нечто уже известное физикам. Нейтроны – это объект, который достаточно хорошо изучен. То, что пойдёт из ранней Вселенной, те гравитационные волны, которые будут нести информацию о самых ранних стадиях, это то, что физиками совершенно не изучено. Есть достаточно много теоретических предположений о том, какова должна быть физика в ранней Вселенной, но никаких экспериментальных указаний на это.

Мне хочется показать ещё одну картинку, покажите её, пожалуйста. Что будет исследоваться в дальнейшем? Поляризация, которая будет исследоваться, поляризация реликтового излучения, её исследование будет осуществляться в нескольких экспериментах. В частности, она будет исследоваться на международной научной стации «Альфа». Вы видите станцию «Альфа», она уже выведена на орбиту и летает уже несколько лет, на ней будет проводиться очень много научных экспериментов. И в частности, будет проводиться российско-итальянский эксперимент «SPORT», который специально посвящён исследованию поляризации реликтового излучения. Будем надеяться, что в этом эксперименте удастся зарегистрировать так называемую b-моду поляризации, которая прямо укажет на амплитуду гравитационных волн, на то, какая была физика ранней Вселенной.

Помимо этого эксперимента будет ещё проводится эксперимент «ПЛАНК». Это гигантский эксперимент, в который вовлечены все европейские страны (пожалуй, за исключением России) и помимо этого ещё и Соединённые Штаты. В этом эксперименте астрономы хотят промерить полностью и анизотропию реликтового излучения, и поляризацию. И узнать, какой у нас спектр от флуктуаций плотности и какие у нас гравитационные волны идут от ранней Вселенной. Зарегистрировав волны от ранней Вселенной, мы сможем восстановить физику ранней Вселенной, и посмотреть на то, какие законы там могли быть.

А.Г.У вас есть теоретические предположения о том, что это может быть за физика?

М.С.Конечно. Предположений очень много. Но предположения могут быть и ошибочными. Пожалуйста, покажите следующую картинку.

Здесь изображены те знания, которые есть сейчас у нас. Астрономические наблюдения в оптическом диапазоне охватывают ближайшую к нам Вселенную – мир галактик. Радионаблюдения, выполненные, в частности, на спутнике WMAP, охватывают сферу последнего рассеяния. Та картинка, которая формируется на сфере последнего рассеяния, идёт из так называемой ранней Вселенной, со стадии инфляции. Стадия инфляции с теоретической точки зрения достаточно хорошо изучена. Надо сказать, что многие из её предсказаний оправдались, в частности, оправдался так называемый спектр Харрисона-Зельдовича, который сейчас наблюдают в виде флуктуации реликтового излучения.