Борис Штерн - Прорыв за край мира

Невооруженным глазом видно, что В-мода заметно превышает фон от гравитационного линзирования. По отношению к скалярным возмущениям результат по гравитационным волнам выражается как r = 0,2 +007_ 005, что неожиданно много. Научная общественность уже настроилась на то, что уровень, на котором будет обнаружен эффект от первичных гравитационных волн, окажется ниже. В комментариях по поводу открытия преобладает торжествующий тон. Действительно, детектирование реликтовых гравитационных волн — важнейший результат, ставящий точку в космологической революции, связанной с теорией инфляции. С виду результат выглядит надежным. Но в отличие от триумфа теории и эксперимента, состоявшегося в результате экспериментов WMAP и «Планк», в данном случае остаются вопросы. Главный из них: не противоречит ли результат данным вышеупомянутых экспериментов? Иными словами, сигнал от гравитационных волн оказался подозрительно большим.

В принципе, величина r ~ 0,2 вполне вписывается в простейшие варианты теории инфляции. Но она на три стандартных отклонения противоречит верхнему пределу «Планка», поставленному с опорой на эффект Сакса — Вольфа из углового спектра мощности температурных флуктуаций. Вероятность случайного отскока результата на три стандартных отклонения — два шанса из тысячи. Маловато. Правда, ограничение r < 0,11 справедливо только в предположении, что распределение неоднородностей реликтового излучения по угловому размеру (спектр мощности) описывается чисто степенным законом. Если отказаться от этого предположения, можно сильно смягчить противоречие. В препринте BICEP2 приведена картинка из статьи по результатам «Планка» именно в той версии, где предположение о чисто степенном спектре снято. Поэтому возникает впечатление согласия.

Однако для согласия между BICEP2 и «Планком» нужно так изогнуть спектр мощности, что это требует изрядного насилия над теорией. А если этого не делать, то эффект Сакса — Вольфа «задерет» спектр, показанный на рис. 32.1 слева ( l < 150) примерно на 10%, что при данной точности будет явно противоречить данным.

Где возможна ошибка эксперимента, завышающая результат? Сразу надо сказать, что В-мода обнаружена достаточно уверенно, сам по себе результат сомнений не вызывает. Сомнения могут быть лишь в том, справедлива ли гравитационно-волновая интерпретация — нет ли других причин, дающих этот тип поляризации. Первое, что приходит в голову, — недооценили эффект гравитационного линзирования, способного имитировать В-моду. Вряд ли: эффект линзирования исследован вдоль и поперек, он дает основной вклад в более мелкие детали, чем те, на которых видят В-моду.

Авторы статьи рассматривают и другой возможный источник фона, имитирующего эффект: поляризованная пыль в Галактике, частицы которой ориентируются в космическом магнитном поле. Рассеяние фотонов на этой пыли дает поляризацию, способную имитировать любую моду. BICEP 2 не может выделить ее вклад, поскольку принимает только одну частоту. Это может сделать «Планк». Авторы е-принта констатируют, что карты распределения пыли для исследованного участка неба нет — она вскоре появится в следующем релизе «Планка». Пока они используют модели распределения пыли и получают успокоительный вывод о том, что этот фон относительно безопасен для главного результата.

Но не будем гадать и забегать вперед — вряд ли вопрос о подозрительно большом вкладе реликтовых гравитационных волн зависнет на долгие годы. Во-первых, вскоре «Планк» должен прояснить ситуацию с фоном поляризованной пыли. Во-вторых, параллельно идут аналогичные эксперименты, в том числе и на Южном полюсе. Будут исследованы другие участки неба, появятся независимые результаты. Наверняка большие силы мобилизуются на изучение всевозможных эффектов, влияющих на результаты измерений. Вряд ли ответы заставят себя долго ждать.

Попробуем подытожить. Сделана серьезная заявка на важнейшее открытие, возможно, ставящее точку в космологической эпопее, начавшейся более 30 лет назад. Уже раздается звон бокалов, но с окончательным празднованием победы очередной революции в космологии, пожалуй, следует немного повременить. Еще не все концы сведены с концами и не все подозрения развеяны. Если результат подтвердится, то некоторые конкретные модели инфляции, обсуждаемые в этой книге как весьма перспективные и красивые будут поставлены под сомнение или отвергнуты. Это модель Старобинского, обсуждаемая в главе 19, и ряд других, затронутых в интервью с Андреем Линде. Но стоит ли спешно переписывать соответствующие главы? Пожалуй, лучше оставить всё как есть: взгляды, мнения и высказывания ключевых участников процесса имеют наибольшую историческую ценность, когда они не переписываются в связи с новыми обстоятельствами. Документы не редактируются!

Кстати, даже если результат не подтвердится, он всё равно явится полезной встряской, мобилизующей людей на прорыв в этой важнейшей задаче. Такое уже случалось в космологии. И привлеченное внимание широкой публики дорогого стоит. В этом смысле сенсацию можно назвать здоровой вне зависимости от того, подтвердится она или нет.

Прежде, чем пойти дальше (а дальше очень даже есть куда пойти), полезно остановиться и подвести краткий итог.

Итак, мы хорошо знаем основные числа, характеризующие нашу Вселенную: состав, возраст, геометрию, динамику. Состав по вкладу в полную энергию: 5% — барионы, 26% — темная материя (эти две компоненты имеют практически нулевое давление) и 69% — темная энергия (с отрицательным давлением). Вселенная с хорошей точностью «плоская» (евклидова) и расширяется с ускорением.

Мы неплохо знаем историю Вселенной: как она расширялась в разные эпохи, как развивалась ее структура, чем она была заполнена, по крайней мере, после первых наносекунд — соответствующая физика частиц достаточно исследована на ускорителях.

У нас есть хорошо разработанная концепция механизма, благодаря которому Вселенная скорее всего возникла, механизма, имеющего право называться «первичным толчком», приведшим в действие всё остальное.

Мы достаточно хорошо можем прогнозировать будущее Вселенной на десятки и сотни миллиардов лет вперед, хотя не можем исключить каких-либо неожиданностей, например нового фазового перехода или неожиданного поведения темной энергии.

Однако, выявилось много такого, чего мы не знаем, не понимаем или перестали понимать.

Будем следовать правилу: «Если не можешь придумать новую метафору, используй самую избитую». Таковой в данном случае будет сопоставление научной картины мира со зданием — чего стоит одно слово «мироздание»! Так вот, мы хорошо различаем основные конструкции этого здания и понимаем их роль. Но мы не знаем, из чего сделаны некоторые важнейшие из них. Так, неизвестно, из чего «сделана» темная материя. Но здесь, по крайней мере, существуют более-менее обоснованные гипотезы относительно того, как она связана с обычной материей. Однако нет никаких зацепок, чтобы понять, как связана темная энергия с известным зоопарком полей и частиц. Точно также мы в целом понимаем, как происходила космологическая инфляция, но не знаем, что именно было ее движущей силой — скалярное поле, «ложный вакуум»? Иначе говоря, непонятно, какова физика инфлатона и нужен ли последний вообще — модель Старобинского обходится без него, там дело делают любые, в том числе уже известные поля. В данный момент существуют десятки гипотез на этот счет, вероятно, в ближайшее время их число уменьшится благодаря новым данным «Планка», но не настолько, чтобы получить определенный ответ.