Брайан Китинг - Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

Слишком многое могло или даже должно было пойти не так. Мы пытались измерить температурный сигнал в миллиард раз холоднее, чем льды Южного полюса. Мы не знали, сумеем ли увидеть хоть что-то. Но мы увидели.

Нашим первым вопросом было: «Кто напортачил?» В 1970-х годах Джо Вебер объявил, что зарегистрировал гравитационные волны в своей лаборатории {2} . Он был выдающимся экспериментатором и одним из изобретателей лазера, и многие считали, что в 1964 году его несправедливо обошли с Нобелевской премией {3} . Но обнаруженные Вебером волны оказались слишком хороши, чтобы быть правдой, — его открытие не подтвердилось. Мы не хотели повторять его печальную участь, становясь вторыми «первооткрывателями» гравитационных волн по ошибке.

Такие ложные открытия случаются в науке на удивление часто. В 2011 году физики, проводившие эксперимент на ускорителе частиц SPS в CERN, сделали потрясающее заявление: они обнаружили нейтрино, способные перемещаться быстрее скорости света. Поскольку теория относительности Эйнштейна утверждает, что ничто в этом мире не может двигаться быстрее скорости света, это было поразительное открытие. На протяжении более чем 100 лет все теории и эксперименты неизменно подтверждали, что космический предел скорости в 300 000 км/сек не просто красивая идея — это закон. Однако нейтрино достигали детектора OPERA на 60 наносекунд раньше, чем ожидалось {4} . Хотя 60 наносекунд могут показаться вам не слишком существенными, но этого было более чем достаточно, чтобы привлечь внимание всего мира и вызвать разговоры о Нобелевке. Заявление исследователей означало, что сам Эйнштейн был не прав и основы физики зашатались.

В конце концов выяснилось, что причиной всему плохо вставленный разъем кабеля, из-за чего время старта нейтрино определялось с некоторой задержкой — как раз на те самые 60 наносекунд, на которые они опережали скорость света. Когда разъем зафиксировали правильно, аномалия исчезла. Но «сверхсветовая» скорость нейтрино стала предметом насмешек для всего мира. Главные исследователи проекта OPERA были вынуждены уволиться с руководящих постов {5} . Учитывая печальный опыт Вебера и команды OPERA, у нас было больше причин нервничать из-за полученного нами сигнала, чем ликовать.

К тому же за нами по пятам шел опасный конкурент — команда Planck, чей космический телескоп, вращавшийся в невесомости на орбите в 1,5 млн км над Землей с ее атмосферными помехами, имел огромное преимущество перед всеми наземными телескопами. Команда Planck могла обскакать нас точно так же, как Пензиас и Уилсон обскакали Роберта Дикке полвека назад. Хуже того, телескоп BICEP2 был демонтирован еще год назад. Мы не могли вернуться и проверить, не забыли ли мы снять крышку с объектива. У нас оставалось только одно мощное оружие: данные, очень много данных.

Мы начали с проверки непротиворечивости данных, разделив весь их массив на два набора и составив две карты — одну на основе первых 18 месяцев наблюдений BICEP2, вторую — на основе вторых 18 месяцев. Обе карты показывали одинаковый сигнал, хотя и с более низким отношением сигнал/шум (что было естественно, поскольку каждая карта использовала всего половину данных).

Как гласит народная мудрость, «семь раз отмерь, один раз отрежь». Мы измерили данные BICEP2 десятками разных способов, пытаясь найти несоответствия между наборами данных разных детекторов или различия при сканировании неба справа налево и слева направо. Мы подвергали наши данные самым немыслимым пыткам; каждый из нас пытался придумать наиболее невероятный сценарий, который мы могли упустить из виду. Была даже выдвинута версия, что зарегистрированный нами сигнал — дело рук инопланетян.

Когда мне доводится выступать на публике и меня представляют как космолога, я часто шучу, что не стоит путать меня с косметологом и доверять мне свои волосы и ногти. Однако многие не знают, что между космологией и косметологией существует глубокая связь. Оба слова восходят к греческому глаголу kosmeö, означающему «приводить в порядок, украшать». Прекрасный лик Вселенной как нельзя лучше это подтверждает. Когда я впервые увидел зарегистрированный BICEP2 сигнал (рис. 51), у меня перехватило дух от завораживающего узора из спиралей и завихрений. Это было именно то, что прогнозировала инфляционная модель, и это была любовь с первого взгляда. Космос был не просто прекрасен. Он щеголял перед нами своей красотой.

К нашему радостному возбуждению примешивались тревожные предчувствия. После года скрупулезного анализа мы убедились, что сигнал не мог исходить ни от Южного полюса, ни от атмосферы, ни от самого BICEP2. Что тогда могло быть его источником, как не инфляция?

Одним из возможных источников могла быть та самая коварная космическая субстанция, которая еще со времен Галилея сбивала с толку астрономов, — пыль.

Мы знали, что облака межзвездной пыли в Млечном Пути рассеивают микроволновое излучение и создают похожий «узор» поляризации В-типа. Но могла ли межзвездная пыль сгенерировать весь обнаруженный нами сигнал? Как определить, является ли зарегистрированный BICEP2 рисунок отпечатком первичных гравитационных волн на микроволновом фоне или обычной засветкой от галактической пыли?

Несмотря на то что мы выбрали для охоты за В-модами «Южную дыру» как участок неба с наименьшим уровнем запыленности, опираясь на предсказания лучших доступных моделей, эти оценки были полны неопределенности. Чтобы узнать реальный вклад пыли, нам требовались данные измерений на высоких частотах.

Как я уже говорил, интенсивность поляризованного излучения пыли резко возрастает с повышением частоты. BICEP2 работал только на одной частоте в 150 ГГц, соответствующей длине волн около 2 мм. Удвоение частоты усиливало пылевой сигнал более чем в три раза. Если обнаруженные нами В-моды продуцировала пыль, это было бы очевидно при частоте 300 ГГц… если бы мы располагали данными измерений на таких высоких частотах.

На самом деле такая карта высокочастотных измерений существовала, но имелась одна загвоздка: она была составлена конкурирующей командой Planck. А на начало 2014 года участники этого проекта еще не опубликовали своих результатов. Мы опасались, что они не только могли намеренно придерживать ключевые данные, доказывающие правильность наших измерений, но и наткнулись на тот же сигнал В-мод, который обнаружили мы. Если этот сигнал действительно настолько силен, телескоп Planck вполне мог его заметить.

Мы пытались наладить сотрудничество с командой Planck, при этом держа свою находку в строгом секрете. Это было опасное маневрирование. Как вы уже знаете, дочитав книгу до этого места, группы ученых иногда сотрудничают, но гораздо чаще конкурируют, особенно когда перед ними стоит конкретная — и очень желанная — цель. Этот аспект науки вызывает тревогу; многие из нас рассматривают данные как свою «собственность», тогда как на самом деле они принадлежат людям, оплачивающим наши счета, — налогоплательщикам.