Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

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]. 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].

_________

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.

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] 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.