Реликтовые гравитационные волны

Научно-исследовательский комплекс Dark Sector Lab с телескопами BICEP2 и SPT. (NASA/JPL-Caltech)

 -

Астрофизики обнаружили характерную картину поляризации реликтового микроволнового излучения, которая является наиболее прямым доказательством существования гравитационных волн и справедливости инфляционной модели Вселенной. По словам многих ученых, в случае подтверждения открытие может быть удостоено Нобелевской премии. Публикации по результатам открытия выложены на сайте антарктической обсерватории BICEP2, кратко о них пишет Nature.

Ученым удалось обнаружить так называемую B-моду поляризации реликтового излучения. Под «B-модой» подразумевают характерную картину закручивания поляризации в микроволновом «снимке» Вселенной. Согласно современной космологии, это закручивание возникает из-за распространения в пространстве гравитационных волн, которые возникли из-за экспоненциального расширения Вселенной в первые 10-37 секунды своего существования.

 -

Чаша телескопа BICEP2 на фоне телескопа SPT. (NASA/JPL-Caltech)

 -

Само реликтовое излучение возникло существенно позже, когда Вселенной было около 380 тысяч лет и она, наконец, стала прозрачна для электромагнитных волн. По расчетам физиков, существование гравитационных волн должно было повлиять на поляризацию этого «позднего» излучения, образовав характерные завихрения с масштабом в единицы угловых градусов. Именно такая картина и была обнаружена астрофизиками с помощью антарктического микроволнового телескопа BICEP2, и, затем,независимыми поляриметрами Кека (Keck Array).

Важность открытия заключается в том, что оно, во-первых, является наиболее прямым доказательством существования гравитационных волн, предсказанных еще Альбертом Эйнштейном. Во-вторых, оно позволяет заглянуть в первые мгновения существования Вселенной, так как на основе интенсивности B-моды можно рассчитать энергию вещества в те ранние времена. В-третьих, открытие говорит о квантовой природе гравитации, так как данные гравитационные волны имеют, фактически, квантово-механические причины. По словам опрошенных Nature экспертов, работу ученых из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики можно поставить в один ряд с самим обнаружением реликтового излучения, ускоряющегося расширения Вселенной и другими ключевыми для космологии открытиями.

 -

Астроном Юстус Бревик проводит диагностику электроники телескопа BICEP2. (NASA/JPL-Caltech)

 -

Гравитационные волны − одно из важнейших предсказаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которую великий ученый опубликовал в 1915 году. В ней предлагалось новое понимание гравитации, при котором важную роль играет «пространство-время».

Альберт Эйнштейн скомбинировал вместе понятия трехмерного пространства и времени и представил их в виде единой структуры с четырьмя измерениями. В его представлении речь шла не о «пустоте», а скорее о своего рода ткани, имеющей определенные геометрические свойства.

Такая ткань деформируется под влиянием присутствующих в ней тел. Эйнштейн описывал силу притяжения как результат деформации пространства-времени со стороны объектов, обладающих массой, как, к примеру, наша Земля, Солнце, да и мы сами.

 -

Фокальная плоскость, используемая для обнаружения доказательств существования реликтовых гравитационных волн, под микроскопом. (NASA/JPL-Caltech)

 -

Пространство-время можно себе представить как простыню, натянутую с четырех сторон. Если положить в ее середину тяжелый предмет, простыня прогнется. В результате даже воздушные шарики, которые почти не влияют на силу натяжения ткани, будут скатываться по простыне вниз, к тяжелому предмету. Это и будет аналогией силы гравитационного притяжения.

В отличие от ньютоновской теории всемирного тяготения, согласно которой гравитационные эффекты распространялись мгновенно, в ОТО гравитационное воздействие имеет конечную скорость, равную скорости света в вакууме − примерно 300 000 км/с.

Например, если масса Солнца внезапно увеличится на 10%, все объекты во Вселенной, по Ньютону, немедленно испытают на себе увеличение силы его притяжения. А вот Эйнштейн утверждал, что необходимо определенное количество времени, чтобы удаленные объекты «почувствовали» изменение гравитации. В случае Земли, на это понадобится приблизительно 8 минут.

С момента своей публикации, общая теория относительности стала для физиков основой понимания гравитации. ОТО помогла объяснить некоторые эффекты, которые, по ньютоновской теории, не должны были существовать.

Так, например, теория Эйнштейна полностью подтвердила наблюдения аномальной прецессии перигелия Меркурия.

 -

 -

Чаша телескопа BICEP2 на фоне антарктической станции Амундсен — Скотт, до которой всего 1 км. (NASA/JPL-Caltech)

 -

Гравитационные волны

 -

Из представления о том, что само присутствие материи деформирует окружающее пространство, Эйнштейн сделал вывод, что любые крупные изменения массивных тел в космосе «встряхивают» окружающее пространство подобно сейсмическим волнам во время землетрясений, порождая рябь, которая рано или поздно должна достигнуть Земли.

К таким событиям относятся столкновения гигантских объектов, например, звезд. Приближаясь по спиралевидным орбитам друг к другу, такие объекты теряют энергию в форме гравитационных волн, которые распространяются по окружающему пространству. Конечное столкновение объектов сопровождается гигантским выбросом гравитационной энергии.

Ученые считают, что проходя через определенный участок космоса, гравитационные волны растягивают пространство в одном направлении и одновременно сжимают его в перпендикулярном. Такой тип движения волн называется «квадрупольным излучением».

 -

 -

Проблема регистрации гравитационных волн

 -

Несмотря на многочисленные подтверждения общей теории относительности, окончательным экспериментальным ее доказательством может послужить лишь регистрация гравитационных волн.

Однако задача эта очень непростая. Несмотря на постоянные столкновения гигантских объектов, так называемых «космотрясений», гравитационные волны от них, доходящие со скоростью света до Земли спустя миллионы и миллиарды лет, очень малы, и зарегистрировать их невероятно сложно.

Представьте себе камешек, упавший в середину Байкала. Волна, распространившаяся во все стороны от его всплеска, у берега озера будет почти незаметной.

Согласно общей теории относительности, гравитационная волна, достигшая Земли, способна растянуть и сжать крупный объект, например, Останкинскую башню, на одну тысячную диаметра протона.

 -

Начало поиска

 -

Охота за гравитационными волнами началась еще в 1950-х, когда Джозеф Вебер, физик из Мэрилендского университета, построил целый ряд сверхчувствительных детекторов.

 -

Джозеф Вебер ©Virginia Trimble

 -

Каждый из них представлял собой крупный алюминиевый брусок, подвешенный на тонких проволоках таким образом, чтобы изолировать от влияния наземных вибраций. По теории Вебера, проходя через алюминиевый стержень, гравитационная волна должна была заставить его колебаться.

Разумеется, такие вибрации были бы слишком ничтожны, но специальные кристаллы, связанные с брусками, должны были уловить даже малейшее сжатие алюминия и дать  электрический сигнал.

Вебер утверждал, что ему удалось таким образом зарегистрировать гравитационные волны, но другие исследователи, повторив опыт, не смогли воспроизвести его результатов. Несмотря на то, что попытка Джозефа Вебера считается неудачной, его по праву можно назвать пионером в области экспериментальных доказательств гравитационных волн.

 -

Реликтовые гравитационные волны

 -

Но интерес к гравитационным волнам вызван не только возможностью найти окончательное экспериментальное доказательство общей теории относительности Эйнштейна. Регистрация так называемых реликтовых гравитационных волн, которые распространяются в пространстве со времени Большого Взрыва, позволит заглянуть в момент рождения нашей Вселенной,

С этой целью огромный радиотелескоп BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), находящийся на Южном полюсе, уже в течение многих лет сканирует небо в поисках малейших изменений в космическом микроволновом (реликтовом) излучении.  Именно начиная с этого момента космос стал проницаем для световых фотонов, которые начали распространяться во все стороны.

Хотя реликтовое излучение уже давно и хорошо изучено, астрономы считают, что в нем может содержаться информация о реликтовых гравитационных волнах. Фотоны реликтового излучения рассеялись от изначальных атомов и других частиц, образовавшихся после Большого Взрыва, примерно как световые лучи доходят до Земли, рассеиваясь от атомов атмосферы, придавая дневному небу голубой оттенок.

Поэтому солнечный свет, падающий на нас, поляризирован − равно как поляризированы и фотоны реликтового излучения (до 5% по оценкам ученых).

Но какое отношение это имеет к гравитационным волнам?

Вспомним, что проходя через пространственную ткань, гравитационные волны сжимают ее в одном направлении и растягивают в перпендикулярном. Фотоны, рассеиваясь сквозь измененную материю, слегка поляризируются благодаря гравитационной волне, что должно оставить след в реликтовом излучении.

 -

 -

Инфляционная модель Вселенной

Обнаружение такой поляризации позволит не только показать существование реликтовых гравитационных волн, но и докажет инфляционную модель − экспоненциальное расширение Вселенной сразу после Большого Взрыва.

 -

Реликтовые гравитационные волны представят доказательства расширения материи непосредственно после Большого Взрыва ©mysearch.org

 -

Хотя инфляционная модель, предложенная в 1981 году Аланом Гутом, хорошо объясняет все основные свойства наблюдаемой Вселенной, многие физики отказываются ее принимать, ссылаясь на альтернативные гипотезы.

Тем не менее, инфляция − единственная теория, которая предсказывает усиление гравитационных волн, вызванное квантовыми флуктуациями в гравитации. Именно благодаря этому усилению возможна регистрация следов гравитационных волн в микроволновом космическом излучении.

Напомним, что, по ожиданиям научного сообщества, сегодня  сделано историческое объявление о регистрации влияния реликтовых гравитационных волн телескопом BICEP.

Если открытие подтвердится, это, безусловно, станет крупнейшим событием года в мировой науке и принесет его авторам заслуженную Нобелевскую премию по физике.

 -