Приямвада Натараджан - Карта Вселенной [Главные идеи, которые объясняют устройство космоса]

Предложение Мазера о проекте COBE последовало в ответ на обращение НАСА к ученым с призывом использовать новые идеи для экспериментов в космическом пространстве. Разработка и применение технически совершенного инструментария сочетались со сложностью теории, которую требовалось проверить. К тому времени уже были разработаны детальные теории формирования структур. Кульминацией стала теория формирования галактик, наблюдаемых сейчас во Вселенной. Физики Яков Зельдович и Роберт Харрисон независимым образом предсказали, что эволюция малых флуктуаций плотности вещества при формировании структур во Вселенной с доминированием холодной темной материи должна оставлять свой след на фотонах излучения, двигающихся в пространстве. Формирующиеся галактики должны были привести к малым флуктуациям температуры реликтового излучения. Такие теоретические расчеты теперь можно было с высокой степенью точности проверить в рамках теории, проработанной ранее Пиблсом. Поэтому, как только эта парадигма холодной темной материи будет подтверждена, можно делать более сложные проверяемые прогнозы. Возникла возможность описания процесса эволюции всего вещества (то есть и обычной, и темной материи) во всей его сложности и с учетом взаимодействия с пролетающими фотонами излучения с помощью численного моделирования, позволяющего затем вычислять ничтожные отклонения температуры реликтового излучения. Отметим еще раз: численное моделирование стало незаменимым и мощным средством для отбора и проверки моделей в сочетании с наблюдательными измерениями. Как и в случае с темной материей, возрастание сложности и чистой вычислительной мощности, которые были частью компьютерной революции, оказалось критически важным для высокоточных предсказаний по модели, применяемой для интерпретации спутниковых данных.

Высокочувствительная аппаратура на борту спутника COBE позволила зарегистрировать те ничтожные колебания температуры реликтового излучения, вызванные влиянием материи за время путешествия через космическое пространство. Я до сих пор живо вспоминаю, как, будучи студенткой, в маленьком, забитом публикой лекционном зале MIT слушала на семинаре в 1989 г. доклад Джорджа Смута, главного исследователя программы дифференциального микроволнового радиометра, установленного на борту спутника COBE. Полученные результаты внушали благоговение. Данные со спутника COBE настолько точно ложились на гладкую теоретическую кривую излучения черного тела, что на рисунке ошибки измерения оказывались меньше толщины линии, прочерченной принтером. Физики пребывали в эйфории, а каждая крупная газета сообщала об открытии торжественными заголовками. Например, в The New York Times статья была озаглавлена так: «Ученые сообщают о глубоком понимании того, как начиналось время» (Scientists Report Profound Insight on How Time Began); или в лондонской The Independent : «Как начиналась Вселенная?» (How the Universe Began) {17} .

После открытия и измерения характеристик реликтового излучения космология, которую давно уже тревожили серьезные неопределенности в описании самых важных параметров и свойств Вселенной, таких как ее возраст и постоянная Хаббла, стала точной наукой. До миссии спутника COBE (и последовавших за ним спутников WMAP и Planck) космология имела репутацию спекулятивной и даже считалась несколько незрелой по сравнению с другими областями физики, такими как физика элементарных частиц, где уже давно использовались развитые количественные методы исследований, а вычисления с точностью до 14-го знака после запятой стали привычными. Запуск COBE ознаменовал начало эры точной космологии и ее превращение в уважаемую область знаний. К этому же времени — 1980-е и 1990-е гг. — в космологии наладилось плодотворное синергетическое взаимодействие между теоретиками и астрономами-наблюдателями.

Космологи не могут, конечно, манипулировать в лабораториях с объектами своих исследований. Однако, несмотря на это принципиальное ограничение — неспособность осуществлять контролируемые эксперименты, космология после измерений реликтового излучения заслужила легитимность в качестве количественной науки. Ее развитие привело к взрывному росту высокоточных данных о начальном периоде развития Вселенной, которые позднее были дополнены данными, полученными с использованием аппаратуры, установленной на спутниках WMAP и Planck. Разрешающая способность приборов спутника WMAP, запущенного в 2001 г., была в 30 раз выше, чем у приборов спутника COBE, а у приборов спутника Planck (2009) она возросла еще в 2,5 раза в дополнение к увеличению числа частотных каналов с повышенной чувствительностью. Наши познания о тонкостях взаимодействия вещества и излучения в истории космоса после запуска спутника Planck будут расти феноменально. В настоящее время границы исследования реликтового излучения лежат в области поляризации. Поляризация волн излучения означает свойства волн, подобно свету, колебаться более чем в одном направлении.

Читатель может вспомнить известный в физике фокус с исчезновением лампы или другого источника света при рассмотрении через поляризационный фильтр. Яркий источник перестает быть видимым при повороте поляризационного фильтра на 90°, так как блокируется свет, поляризованный в одном направлении. Поляризация наблюдается даже в диапазоне микроволнового и рентгеновского излучения. Невероятно, но поляризационные свойства реликтового излучения могут быть измерены, и именно эти измерения стали сейчас наблюдательным вызовом на границе исследований. Измерения этих отпечатков смогут рассказать нам много больше о младенческой жизни Вселенной.

Как уже отмечалось выше, новые идеи и задачи потребовали развития и дальнейшего совершенствования измерительных приборов. Необходимость специальных навыков и опыта для выполнения таких, более сложных, измерений реликтового излучения повлияла на профессиональную структуру и повседневную практику космологических исследований. Как отмечает историк науки Питер Галисон, разделение труда в физике элементарных частиц уже привело к созданию новых профессиональных «зон занятости», которые переопределили процедуру экспертизы. Исследования реликтового излучения в космологии также привели к созданию таких зон между теорией, разработкой оборудования и экспериментом. Чтобы выполнить миссии по изучению реликтового излучения, потребовалось сотрудничество трех различных сообществ: инженеров, которые создавали инструменты, ученых, обрабатывавших измерения, и теоретиков, которые интерпретировали данные. Этот процесс начался давно, еще с тех времен, когда Дикке и его команда в Радиационной лаборатории MIT сами стали представлять такую необычную рабочую зону — необычную как в смысле поиска знаний, так и в смысле взаимодействия специалистов в одном физическом пространстве из ранее разделенных частей научного сообщества, начавших работать совместно. Как я упоминала выше, период с 1980-х гг. по 1990-е гг. стал в космологии новой стадией интеллектуального развития вследствие появления новых приборов, приводящих к новому разделению работы в процессе исследования. Галисон отмечает, что существование упомянутых «зон занятости» изменило не только практику проведения научной работы, но также и сам характер создания и обсуждения возникающих новых научных идей и предложений {18} .