Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Первой – и, возможно, самой новаторской – стала COBE (Cosmic Background Explorer) [63] Исследователь космического фонового излучения (COBE): http://science.nasa.gov/missions/cobe . . Эта миссия выросла из ранней работы Рэя Вайсса в MIT. Запущенный в ноябре 1989 г., спутник COBE впервые обнаружил малые различия температуры реликтового излучения на уровне десятитысячной доли градуса. Крохотные «горячие» и «холодные» точки соответствуют областям чуть более высокой и чуть более низкой плотности в очень молодой Вселенной, из которых впоследствии образовались зародыши будущих галактик и их скоплений. Не будь этих первичных флуктуаций плотности, современная Вселенная была бы темным однообразным океаном водорода и гелия плотностью порядка одного атомного ядра на кубический метр. Не было бы галактик, тем более звезд, планет или людей. Мы обязаны своим существованием этим слабым возмущениям. Главные исследователи проекта COBE Джон Мэтер и Джордж Смут получили Нобелевскую премию по физике за 2006 г. за эти революционные открытия.

Намного более подробные карты реликтового излучения впоследствии составили спутник НАСА WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – «Зонд для изучения анизотропии реликтового излучения им. Уилкинсона») [64] Космический аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe): http://science.nasa.gov/missions/wmap . Космический аппарат «Планк»: http://sci.esa.int/planck . Нобелевская премия по физике за 2006 г.: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006 . , запущенный в июне 2001 г., и миссия ЕКА Planck, названная в честь прославленного немецкого физика Макса Планка. Спутник Planck стартовал в мае 2009 г. и поставлял данные до октября 2013 г. Обе миссии принесли очень много информации о ранней Вселенной. В определенном смысле они превратили космологию в точную науку.

Реликтовое излучение можно наблюдать и на Земле – не на уровне моря, конечно, в силу абсорбирующего эффекта земной атмосферы, но из любой достаточно высокой и сухой точки. Установите микроволновой телескоп так, чтобы бóльшая часть атмосферного водяного пара осталась внизу, и приступайте.

Южный полюс – одно из таких уникальных мест. Полярная станция «Амундсен – Скотт» находится на высоте 2835 м над уровнем моря. Более того, холодное небо Антарктиды отличается крайней сухостью (Антарктида классифицируется как пустыня), и водяного пара там мало. В 1999 г. ученые Чикагского университета решили построить здесь DASI (Degree Angular Scale Interferometer – «Интерферометр с градусным угловым разрешением») – впечатляющий инструмент с 13 независимыми детекторами на общей платформе. BICEP1 – маленький предшественник BICEP2 – начал работать в 2006 г. Сооружение 10-метрового «Южного полярного телескопа» было завершено в начале 2007 г.

Другим превосходным местом для наблюдений является Ллано де Чайнантор на севере Чили. На этом высокогорном, более 5000 м над уровнем моря, плато, окруженном вулканами, разместилось 66 тарелок ALMA (Атакамской большой антенной решетки миллиметрового/субмиллиметрового диапазона) [65] Я посещал Ллано де Чайнантор и Большую атакамскую миллиметровую/субмиллиметровую решетку (ALMA) ( http://www.almaobservatory.org ) на севере Чили в 1998 г. (при содействии Национальной радиоастрономической обсерватории, NRAO), в 1999 г. (на средства Европейской южной обсерватории, ESO), в 2004 г., в 2007 г. (при финансировании ESO и Нидерландской исследовательской школы астрономии, NOVA), в 2010 г., в 2012 г. (на средства ESO), в 2013 г. (на средства ESO), а также в 2015 и 2017 гг. (оба раза в качестве гида-экскурсовода голландского еженедельника New Scientist ). . От путешествия сюда в буквальном смысле захватывает дух. В ноябре 2004 г., когда я в третий раз побывал в Чайнанторе, работы на ALMA еще не начались – даже дорога к месту размещения обсерватории только строилась, но аналогичный DASI инструмент для наблюдения космического фонового излучения уже действовал. Три года спустя строительство 6,5-метрового телескопа Atacama Cosmology было почти завешено. Как BICEP2, инструмент окружен огромным конусом для защиты от паразитарных излучений, но если вы подниметесь на соседнюю вершину Сьерро-Токо высотой 5600 м, как сделал я в 2013 г., то перед вами откроется великолепный вид на телескоп [66] Атакамский космологический телескоп (АСТ): http://act.princeton.edu . .

Многие космические и наземные инструменты следят за реликтовым излучением – послесвечением творения или, как его иногда называют, фото Вселенной в младенчестве, – но все последние эксперименты сосредоточены на его поляризации. Это один из святых Граалей космологии – регистрация неуловимых В-мод поляризации реликтового излучения, вызванной первичными гравитационными волнами периода инфляционного состояния очень молодой Вселенной. В этой фразе много профессиональных терминов, но я разъясню их один за другим.

Начнем с поляризации. Свет – это электромагнитно-волновой феномен, как установил Джеймс Кларк Максвелл в конце XIX в. В норме возмущенные электрические и магнитные поля колеблются с одинаковой силой во всех направлениях – горизонтальном, вертикальном, диагональном и всех промежуточных. Но отраженная световая волна становится поляризованной – колебания сильнее выражены в одном направлении, чем во всех остальных.

В поляризованных светозащитных очках остроумно используется этот эффект. Когда солнечный свет отражается от плоской поверхности, например стены, снега или дороги, то приобретает некоторую степень горизонтальной поляризации: колебания отраженных волн становятся заметно сильнее в горизонтальном направлении, чем в вертикальном. Поляризованные солнечные очки блокируют преимущественно колебания по горизонтали, и отраженные волны становятся намного менее яркими. Эффект хорошо заметен, если повернуть очки на 90°, глядя сквозь них одним глазом.

Фотографы хорошо знакомы с поляризацией. Солнечный свет отражается от молекул воздуха и частиц пыли, становясь несколько поляризованным. Если установить перед объективом камеры поворотный поляризующий фильтр, можно сделать небо значительно темнее, что придает изображению особую выразительность.

Конечно, вместо того чтобы фильтровать поляризованный свет, можно изучать его поляризацию для поиска причины этого эффекта. Например, физики, изучающие загрязнение атмосферы, могут измерить силу и направление поляризации солнечного света разных длин волн. Эти данные рассказывают о величине, структуре и составе частиц загрязнителей.

Реликтовое излучение путешествовало по Вселенной 13,8 млрд лет. Поскольку межгалактическое пространство представляет собой практически полный вакуум, реликтовое излучение не должно было сильно поляризоваться. Тем не менее эффект, хотя и крайне слабый, присутствует. Оказывается, реликтовое излучение поляризовано примерно на 1/300 000 долю процента. Это значит, что в любой точке неба реликтовое излучение имеет чрезвычайно слабую тенденцию к колебаниям в определенном направлении.