Борис Штерн - Прорыв за край мира

Этот предел уже поставил под сомнение некоторые конкретные модели инфляции. Пока наилучшим образом под него укладывается модель Старобинского, правда не она одна.

Следы гравитационных волн в поляризации реликтового излучения надо найти во что бы то ни стало. Если их изначальный спектр такой же, как и у неоднородностей плотности, т.е. очень близок к плоскому, это будет окончательным подтверждением факта космологической инфляции. Больше таким волнам взяться неоткуда.

Насколько сложно обнаружить следы реликтовых гравитационных волн и насколько это реально в обозримом будущем? Вполне реально, хотя есть серьезные проблемы, связанные с фоном. Некоторые надежды связывают с европейским аппаратом «Планк», аналогичным WMAP, но с лучшим угловым разрешением. Из наземных экспериментов большие надежды подает эксперимент SPTpol, недавно стартовавший на Южном полюсе. Выше уже был упомянут микроволновый телескоп SPT с зеркалом диаметром 10 м. Сейчас на нем установлена специальная камера для измерения поляризации реликтового излучения. Есть еще несколько экспериментов, специально посвященных поиску гравитационных волн по поляризации реликтового излучения. Несколько из планируемых экспериментов будут тоже проводиться на Южном полюсе — это лучшее место для наблюдения реликтового излучения с земной поверхности.

35.2. Микроволновые телескопы SPT (слева) и BICEP (справа, внутри конусообразного экрана), расположенные на Южном полюсе

Из проектов будущих космических экспериментов весьма впечатляет недавно заявленный европейский PRISM (Polarized Radiation Imaging and Spectroscopy Mission). Это будет весьма универсальный инструмент, который, по замыслу, сможет очень хорошо отделять реликтовое излучение от всякого рода фонов, и в том числе извлекать чистую карту его поляризации. Заявленный уровень детектирования реликтовых гравитационных волн r ~ 0,5·10 -3(даже если подтвердятся наихудшие ожидания по поводу фона). Если обещанное будет исполнено, то PRISM откроет гравитационные волны даже если реализовался один из «пессимистических», но очень интересных вариантов инфляции, обсуждаемых ниже в интервью с Алексеем Старобинским и Андреем Линде. Эти варианты предсказывают r ~ 3…4·10 -3.

…Время, в которое писалась эта книга, оказалось очень бурным в самых разных отношениях. История разворачивалась на наших глазах. Вместо того, чтобы переписывать главы, приводя их в соответствие с последними фактами, мы даем постскриптумы. Так лучше передается ощущение творящейся истории.

После того, как четыре предыдущие главы были написаны, появились публикации космологических результатов миссии «Планк» по данным за первые 500 дней наблюдений. Качество данных лучше, чем у WMAP, ряд космологических параметров существенно уточнен, гравитационные волны пока не найдены, но сделаны измерения галактического фона, в первую очередь пыли, что должно сильно помочь в обнаружении первичных гравитационных волн.

Рис. 36.1. Прогресс в разрешении космических микроволновых телескопов. Один и тот же участок неба, снятый COBE.WMAP и «Планком»

Несколько увеличилась доля темной материи и уменьшилась доля темной энергии, однако разница лишь немного выходит за одно стандартное отклонение. Предел на примесь реликтовых гравитационных волн остался примерно тем же, что и по данным WMAP. Оценка возраста Вселенной чуть увеличилась (до 13,8 млрд лет). Сравнение значений важных космологические параметров по данным WMAP и «Планк» дано на рис. 36.2. Значения с ошибками даны в двух вариантах: если брать только данные миссии и если дополнить их данными других наблюдений, в том числе, касающихся современной Вселенной: они обозначены как WMAP+ и «Планк»+. Существенно для физиков то, что подтверждена оценка эффективного числа типов «нейтрино» — она тяготеет к трем, которые уже известны. Искать четвертую легкую слабо взаимодействующую частицу вроде бы нет резона. Почти вдвое уменьшен верхний предел на сумму масс трех типов нейтрино: если привлечь все силы, то натягивается предел 0,24 эВ. Хорошо и важно, что «Планк» подтверждает результат WMAP по наклону спектра первичных возмущений плотности Вселенной. Показатель наклона спектра n = 0,96 отличается от плоского на 0,04 как по данным WMAP+, так и по результатам «Планк»+, но «Планк» поднял статистическую значимость этого отклонения до 6 сигма. Верхний редел на вклад реликтовых гравитационных волн немного снизился, до r < 0,11. Радикально снижен предел на негауссовость флуктуаций реликтового излучения. Свойство гауссовости означает, что карта излучения является случайной суммой независимых флуктуаций и выражается в том, что фазы угловых мультиполей не коррелируют друг с другом. Возможно, это самый важный результат на настоящий момент. О значении нового предела говорится ниже в интервью с Андреем Линде.

Пока обработаны лишь 2/5 от накопленных данных «Планка». Поэтому есть надежда на дальнейшее уточнение параметров Вселенной, а может быть и на открытие новых эффектов. С особым нетерпением народ ждет публи кации результатов по поляризации реликтового излучения — это внесет ясность в мистерию реликтовых гравитационных волн, освещенную в следующем постскриптуме.

Рис. 36.2. Сравнение результатов «Планка» с результатами WMAP

Когда книга близилась к завершению, 17 марта 2014 года мировые масс-медиа обошла сенсация: открыты реликтовые гравитационные волны! Авторы сенсации — коллектив эксперимента BICEP2, продолжающего упомянутый выше BICEP. В их электронном препринте (arXiv.org/1403.3985v2) сообщается об обнаружении В-моды поляризации реликтового излучения, которое интерпретируется как «отпечаток» реликтовых гравитационных волн. BICEP — довольно маленький по размеру микроволновый телескоп, расположенный на Южном полюсе. Угловое разрешение всего полградуса, зато очень низкие шумы и высокая чувствительность. Это, в частности, достигается за счет охлаждения жидким гелием основных элементов телескопа. Измерения, результаты которых опубликованы, проводились три сезона с 2010 по 2012 год.

На рис. 32.1 показаны снятые карты поляризации, разложенные на Е-моду (слева вверху) и В-моду (слева внизу). Длина черточек пропорциональна степени линейной поляризации, направление указывает направление поляризации. Справа — результат численного моделирование Е- и В-моды для случая, когда гравитационные волны отсутствуют (напомним, В-мода в этом случае появляется за счет гравитационного линзирования).