За последние полгода было немало споров вокруг результатов исследований микроволнового радиоизлучения обсерваторией BICEP2. Опубликованные недавно результаты космической обсерватории PLANCK внесли некоторую ясность в них и одновременно поставили многоточие. Так есть ли доказательство инфляционной теории расширения Вселенной или нет? И чего ждать в дальнейшем? АНИ «ФИАН-информ» попросил старшего научного сотрудника ФИАН Максима Ивановича Зельникова разъяснить результаты, полученные PLANCK, и ответить на эти вопросы.

    В XX веке появилась космологическая модель, описывающая развитие Вселенной с самой ранней стадии и получившая в 1949 году широко известное ныне название «Теория Большого Взрыва»^[1]. В основу этой теории положено представление о быстром расширении Вселенной из начального сингулярного состояния. Часто с теорией Большого взрыва тесно связывают теорию горячей Вселенной, хотя изначально они существовали отдельно. Однако именно представление о «юной» Вселенной как некоей сверхплотной и сверхгорячей материи (т.н. космологическая сингулярность), которая в некоторый момент времени начала расширяться и остывать, и привела, в свою очередь, к появлению теории о стадии инфляции в раннем развитии Вселенной.

    Дело в том, что стандартная модель горячей Вселенной не могла объяснить ни нынешние размеры Вселенной, ни изотропность многих ее свойств, ни многое другое. С другой стороны, обнаружение реликтового излучения доказывало, что теория Большого взрыва по своей сути верна. И только появление в 80-х гг. XX в. инфляционной модели Вселенной позволило разрешить эти вопросы.
Согласно инфляционной теории, на самой ранней стадии развития, 10^-45 – 10^-37 с после Большого взрыва, расширение Вселенной носило намного более ускоренный, экспоненциальный характер по сравнению с последующими стадиями развития. Именно эта стадия породила основной «строительный материал» нашей Вселенной – кварк-глюонную плазму.

    Однако до сегодняшнего дня теория инфляции остается всего лишь теорией, поскольку неоспоримого экспериментального подтверждения ей так до сих пор и не нашлось. Подтвердить или же опровергнуть ее может помочь только единственный свидетель первых сотен тысяч лет после инфляции – реликтовое излучение. Поясняет Максим Иванович:

    «Как известно, реликтовое, микроволновое, излучение является объектом особо пристального внимания исследователей, поскольку позволяет получить весьма ценную информацию о ранних стадиях развития Вселенной. Оно наблюдается с того момента в истории Вселенной, когда никаких компактных источников излучения – звезд, планет и т.п., – не было.

    Весьма важным в исследовании реликтового излучения является обнаружение поляризованной компоненты этого излучения – т.н. B-моды, потому что именно эта мода является порождением первичных гравитационных волн. Собственно, гравитационное излучение в то время могло быть рождено только на стадии инфляции. Следовательно, зарегистрируем В-моду – подтвердим инфляцию.»

    Весной этого года появилось сенсационное сообщение обсерватории BICEP2 ^[2], в котором говорилось об обнаружении поляризованной компоненты реликтового излучения в ходе наблюдений. Причем уровень достоверности результатов, согласно публикации, был весьма высок.

На фото: Астрофизическая обсерватория BICEP2 (источник)

    Важным моментом публикации являлся тот факт, что если считать, что все паразитные эффекты в полученных результатах не играют никакой роли, то данные поляризации излучения показывают спектр первичных гравитационных волн в соответствии с предсказаниями стандартной теории инфляции. Как было сказано в недавней статье Cern Courier, «результаты BICEP2 рассматривались в качестве доказательства как инфляции, так и энергетических квантово-гравитационных процессов в приближении шкалы Планка, где все фундаментальные силы, как полагают, были едины». Таким образом, результаты, полученные весной коллаборацией BICEP, претендовали на сенсационное открытие.

    Однако почти сразу более скептически настроенные ученые стали указывать на существенный недостаток представленных расчетов. В работе недостаточно корректно были учтены эффекты, которые также могут вносить поляризованный вклад в излучение микроволнового фона: излучение космической пыли, синхротронное излучение, излучение от точечных источников и др. Таким образом, полученные результаты могли дать ложную надежду.

    Разрешить этот вопрос окончательно, отделить «зерна от плевел», могли только данные космической обсерватории PLANCK. По своим возможностям наблюдения всего неба обсерватория PLANCK, конечно, превосходит BICEP2. К тому же у этой обсерватории наблюдение ведется на множестве частот, что позволяет, в частности, по спектру радиоизлучения отличить излучение пыли от излучения, вызванного первичными инфляционными возмущениями. И вот совсем недавно были опубликованы результаты по оценке вклада космической пыли в общий фон излучения, полученные коллаборацией PLANCK. Уже заголовок статьи «Planck confirms doubts on BICEP2 results» («Планк подтверждает сомнения относительно результатов BICEP2» – Прим. ред.) позволяет сказать – увы, открытие пока не состоялось… 

    Рассказывает Максим Иванович:

    «На карте, представленной коллаборацией PLANCK, синим цветом показана величина наименьшей интенсивности поляризации, красным, соответственно, наибольшей. По сути дела, эта карта показывает распределение космической пыли в нашей Галактике. Видно, например, что по периметру полусфер, близко к диску Галактики, много поляризованного излучения. Обратив внимание на область неба, в которой проводились наблюдения обсерваторией BICEP2, нетрудно заметить, что здесь количество пыли, дающей вклад в поляризацию излучения, достаточно велико. Так что, заявляя о регистрации В-моды реликтового излучения, наши коллеги немного поторопились.»

На рисунке: Карта северной (слева) и южной (справа) полусфер Галактики
с цветовым обозначением распределения интенсивности B-мод, генерируемых космической пылью.
На южной полусфере черной трапецией выделена область наблюдения обсерватории BICEP2
(источник изображения – упомянутая статья)

    Однако представленные коллаборацией  PLANCK результаты не являются приговором проведенным исследованиям. Необходимо учитывать, что в ходе интерпретации результатов исследователям приходилось проводить экстраполяцию данных с 353 ГГц – рабочей частоты PLANCK’а, на которой наиболее ярко светит пыль, на частоту исследований BICEP2, т.е. 150 ГГц. Любая экстраполяция заставляет делать определенные приближения. В частности, экстраполяция из области высоких частот на низкие частоты производится с помощью среднего спектра излучения пыли. Но понятно же, что в Галактике пыль на самом деле имеет разную температуру и, строго говоря, есть наложения разных Планковских спектров с разной температурой. Поэтому нельзя достоверно утверждать, что именно в области наблюдения BICEP2 вклад пыли в поляризацию реликтового излучения преобладает над вкладом первичных гравитационных волн.

    К тому же, чтобы получить точное подтверждение о вкладе космической пыли в общую картину излучения, необходимо детальное сопоставление данных обеих обсерваторий. Именно этой работой в настоящее время и занимаются, обещая опубликовать полученные результаты в ближайшее время. Вполне возможно, что здесь будут учтены и данные обсерватории POLARBEAR в Чили, которая работает на той же частоте, что и BICEP2 – 150 ГГц.

    В ближайшее время вводится в эксплуатацию третье поколение обсерватории – BICEP3, которое будет работать на частоте 95 ГГц, позволяющей снизить вклад излучения космической пыли в общую картину. Также там существенно будут увеличены точность и угловое разрешение наблюдений. Конечно же, и оценка интенсивности вклада космической пыли в общее значение поляризации излучения, опубликованная PLANCK, позволит выбрать наиболее оптимальные участки наблюдения космической сферы.

    «Есть надежда, что в результате работы этих проектов можно будет отличить эффект излучения космической пыли от первичного излучения. Тогда уже, надеюсь, можно будет сделать достоверное утверждение о первичном спектре гравитационных волн. И, следовательно, будет доказано или же опровергнуто существование стадии инфляции. Возможно, удастся получить ответ на вопрос: какой же она была – эта первичная стадия расширения нашей Вселенной?» – отметил в заключение Максим Иванович.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

_________________________________________________________

^[1] До 1949 года эта теория носила название «динамической эволюционирующей модели». Однако именно термин «Большой взрыв», данный одним из скептиков, стал более популярным, затмив первоначальный. Назад к тексту

^[2] BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization – Фоновое отображение космической внегалактической поляризации) – американская исследовательская обсерватория, расположенная на Южном полюсе. То же самое название носит и коллаборация ученых Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, занимающаяся исследованиями реликтового излучения с помощью упомянутой обсерватории. Назад к тексту