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

Столь слабую поляризацию трудно измерить. Представьте, что вы случайным образом рассыпали по полу 60 млн зернышек риса и пытаетесь обнаружить едва выраженное преобладание их ориентации: 29 999 999 зерен ориентированы в пределах 45° по оси восток – запад, а 30 000 001 – по оси север – юг. Примерно такая же чувствительность нужна при измерении поляризации реликтового излучения. Это было впервые сделано DASI в 2002 г.

Откуда взялась эта слабая поляризация? Не вследствие отражения фонового излучения от звезд и планет или его рассеяния межзвездной пылью. Слабая степень поляризации появилась у реликтового излучения в самом начале его путешествия к нам, порядка 13,8 млрд лет назад. Это «отпечаток» неравномерного распределения материи в очень молодой Вселенной. Я уже упоминал о крохотных флуктуациях плотности первичного газа – «зародышах» нынешней крупномасштабной структуры Вселенной. Они привели не только к малым вариациям температуры реликтового излучения («горячие» и «холодные» точки, впервые наблюдаемые COBE), но и к очень слабой степени поляризации в направлениях, различающихся в разных частях неба.

Это все, что нам с вами нужно знать о поляризации реликтового излучения. Перейдем к инфляции, первичным гравитационным волнам и В-моде.

Инфляцией [67] Слово происходит от лат . inflatio – раздувание. – Прим. ред. называется то, что происходило со Вселенной в самую первую мельчайшую долю секунды ее существования. Точнее, космологи полагают , что именно так и было. Это не подтвержденная концепция и даже не зрелая теория, а скорее общепринятое обозначение группы гипотетических сценариев, один из которых может быть истинным. Или, как сказали бы большинство космологов, один из них должен быть истинным. Дело в том, что инфляция – единственное доступное нам решение ряда неустранимых проблем первоначальной теории Большого взрыва.

Не стану вдаваться в подробности, главное – это очень краткий период экспоненциального расширения. Прежде чем Вселенной исполнилось 10 –32секунды (или 0,00000000000000000000000000000001 с), пространство раздулось в два раза примерно 200 раз подряд. В результате расстояния между любыми двумя точками пространства стали примерно в 10 60раз больше начальных значений [68] Вернее e 60 раз, где e = 2,71828… – основание натуральных логарифмов, 60 – это так называемое число e-фолдингов, оцененное по данным миссии Planck. Соответственно число 2 200 , упоминаемое автором, несколько завышено. – Прим. науч. ред. . По окончании невероятно краткой эпохи инфляции началось более знакомое «линейное» расширение Вселенной, идущее гораздо более спокойными темпами. В определенной мере инфляцию можно сравнить с самыми первыми стадиями роста оплодотворенной человеческой яйцеклетки. Сначала количество клеток растет в следующей последовательности: 1, 2, 4, 8, 16 и т. д. К счастью, вскоре экспоненциальный рост прекращается, темпы роста значительно замедляются (иначе вы бы сейчас были больше наблюдаемой Вселенной).

Квантовая механика дает надежное основание верить во «взрыв Большого взрыва», как прозвали инфляцию Вселенной. Более того (опять-таки без углубления в детали), это единственный мыслимый способ объяснить, почему наблюдаемая Вселенная выглядит такой однородной, а пространственно-временной континуум, судя по всему, не имеет глобальной, повсеместной кривизны. Эту идею предложил в 1980 г. Алан Гут, физик-теоретик, в то время работавший в Принстоне [69] Первым идею об экспоненциальном расширении выдвинул Алексей Старобинский из Института теоретической физики им. Л. Ландау в 1979 г. – Прим. науч. ред. . С тех пор ее расширили и изменили, в особенности советско-американский физик Андрей Линде из Стэнфордского университета [70] Первая работа по этой теме была опубликована Линде в 1982 г., когда он работал в ФИАНе. – Прим. науч. ред. . Инфляцию Вселенной трудно себе представить и еще труднее принять на веру, но большинство космологов привыкли к этой модели.

Различные инфляционные сценарии отличаются только деталями: что именно вызвало раздувание Вселенной, когда оно началась, насколько быстрым было экспоненциальное расширение, сколько времени длилось, как закончилось и т. д. Проблема, разумеется, в том, что мы не можем заглянуть в прошлое в эту ничтожную 10 –32долю секунды после рождения Вселенной и увидеть, что в действительности произошло. Реликтовое излучение – самый старый свет из раннего этапа существования Вселенной, который мы имеем возможность изучать, и он был излучен через 380 000 лет после ее возникновения. Как же космологи надеются доказать реальность инфляции, тем более выбрать одну из ее версий?

В этом нам помогут гравитационные волны. Инфляция раздула все в пространстве. Субатомные квантовые флуктуации в новорожденной Вселенной расширились в вариации плотности, оставившие свой отпечаток на реликтовом излучении. Квантовые флуктуации гравитационного поля также должны были раздуться, но не в другие флуктуации плотности, а в первичные волны Эйнштейна, вызвавшие возмущения в самой ткани пространственно-временного континуума [71] Первые расчеты различных режимов генерирования первичных гравитационных волн были проведены независимо советскими физиками Леонидом Грищуком (1975) до создания теории инфляции и Алексеем Старобинским (1979). – Прим. науч. ред. . Во всяком случае, в теории. Амплитуда первичных волн зависит от конкретных характеристик инфляции.

Если мы сможем зарегистрировать первичные гравитационные волны, то получим надежное свидетельство того, что инфляция Вселенной имела место. Возможно, мы даже сумеем опровергнуть хотя бы несколько инфляционных сценариев. К сожалению, инфляционные волны никогда не удастся зарегистрировать напрямую. После 13,8 млрд лет расширения пространства они приобрели длины в сотни миллионов световых лет, и у нас нет возможности их измерить. Но они оставили отметину на реликтовом излучении. Получив небольшую поляризацию из-за флуктуаций плотности в молодой Вселенной, оно также приобрело слабую поляризацию в ходе взаимодействия с первичными гравитационными волнами.

Измерение поляризации космического фонового излучения, вызванной инфляционными волнами Эйнштейна, рассказало бы нам, что происходило в самую первую долю секунды после рождения Вселенной. Это уникальный шанс заглянуть за предел 380 000 лет, в самое начало пространства, времени, материи и энергии. Есть лишь одна проблема: поляризация, связанная с первичными гравитационными волнами, в тысячу раз слабее поляризации вследствие флуктуаций плотности, также ничтожной. Как разделить эти два эффекта?

Здесь мы подходим к разговору о В-моде. Представьте, что американский кондитер дал вам много тысяч одинаковых маленьких пирожных, украшенных взбитыми сливками. Вы подозреваете, что среди них может быть несколько европейских пирожных. Но на обоих континентах используется один и тот же рецепт, и пирожные выглядят одинаковыми. Тут вы узнаете (дальнейшее – исключительно моя выдумка), что европейские пекари, выдавливая сливки из кондитерского мешка, всегда поворачивают его по кругу, а американские держат мешок неподвижно. Поэтому американские украшения совершенно симметричны, а европейские слегка закручиваются спиралью в одну или в другую сторону. Теперь их легко различить, хотя сами пирожные одинаковы во всех прочих отношениях.