Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Гравитационные волны открыты?

Американские физики объявили об обнаружении первичных гравитационных волн, возникших на этапе инфляции при образовании нашей Вселенной.

Структура поляризации, созданная первичными гравитационными волнами, с характерными  «завитками» В-моды. Отрезки показывают силу поляризации и ориентацию. Красный и синий фон выделяет области закручивания за и против часовой стрелки.
Структура поляризации, созданная первичными гравитационными волнами, с характерными «завитками» В-моды. Отрезки показывают силу поляризации и ориентацию. Красный и синий фон выделяет области закручивания за и против часовой стрелки.
Цветом показаны флуктуации температуры космического микроволнового фона, которые отслеживают флуктуации плотности в ранней Вселенной, и которые позднее определят рост галактик. Они не имеют «скручивания». Более слабая B-мода поляризации показана отрезками
Цветом показаны флуктуации температуры космического микроволнового фона, которые отслеживают флуктуации плотности в ранней Вселенной, и которые позднее определят рост галактик. Они не имеют «скручивания». Более слабая B-мода поляризации показана отрезками
Характерный вид структуры поляризации  в Е- моде (слева) и В-моде (справа). Видна симметричность Е-моды относительно линии, проведенной через ее центр (зеркальная симметрия) и характерный «вихревой» вид В-моды.
Характерный вид структуры поляризации в Е- моде (слева) и В-моде (справа). Видна симметричность Е-моды относительно линии, проведенной через ее центр (зеркальная симметрия) и характерный «вихревой» вид В-моды.
Руководитель коллаборации BICEP2 , профессор Гарвардского университета Джон Ковач. Фото Denis Barkats.
Руководитель коллаборации BICEP2 , профессор Гарвардского университета Джон Ковач. Фото Denis Barkats.
Здание лаборатории «Dark Sector». Телескоп BICEP2 находится внутри  «тарелки» на крыше справа. Белая антенна слева – телескоп  SPT (The South Pole Telescope  - Южнополярный телескоп).
Здание лаборатории «Dark Sector». Телескоп BICEP2 находится внутри «тарелки» на крыше справа. Белая антенна слева – телескоп SPT (The South Pole Telescope - Южнополярный телескоп).
Внешний вид телескопа BICEP2.
Внешний вид телескопа BICEP2.

Об открытии сообщили представители коллаборации BICEP2 под руководством профессора Гарварда Джона Ковача на состоявшейся 17 марта в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики пресс-конференции. Если результаты получат подтверждение, то это станет одним из важнейших открытий в современной науке, достойным, по мнению специалистов, Нобелевской премии.

Причин для такой высокой оценки сразу несколько. Во-первых, впервые удалось обнаружить гравитационные волны, предсказанные общей теорией относительности (ОТО) Эйнштейна еще в 1916 году. До этого момента они оставались неуловимыми, несмотря на свою почти вековую историю. Было разработано много методов обнаружения и сверхточных приборов огромных размеров, но достоверных результатов их регистрации получено не было. Вся проблема в чрезвычайной малости этих волн в окрестности Земли. Так что, несмотря на достаточную экспериментальную обоснованность ОТО, это открытие станет еще одним существенным аргументом в ее пользу. 

Во-вторых, получено еще одно подтверждение инфляционной теории в современной космологии, что дает нам информацию о происхождении и эволюции нашей Вселенной.

И, наконец, в-третьих, это дает в руки ученым новый метод исследования Вселенной, позволяющий оценить количественно процессы, которые привели к рождению этих волн.

Открытие было сделано на основе измерений поляризации реликтового излучения или, как называют его на Западе, космического микроволнового фона. Это электромагнитное излучение, равномерно заполняющее всю вселенную, – отголосок процессов, происходивших на начальном этапе развития нашей Вселенной. Предсказанное в рамках теории Большого взрыва, оно является одним из важнейших аргументов в пользу этой космологической теории. В результате рассеяния на различных частицах (атомах, электронах) реликтовое излучение приобрело линейную поляризацию. Это означает, что вектор электрического поля в электромагнитной волне колеблется в определенной плоскости. Измерение поляризации заключается в определении направления этого колебания и его выраженности (степени). В повседневной жизни мы сталкиваемся с подобной поляризацией при рассеянии света в атмосфере или при отражении от поверхности воды. Фотографы, надевая на объектив поляризационные фильтры, могут избавляться от бликов на воде.

Авторы открытия составили карты распределения в пространстве направлений поляризации реликтового излучения (структуру поляризации), анализ которого позволяет сделать вывод о механизме поляризации. Дело в том, что при обычном рассеивании возникает так называемая Е-мода поляризации. В этом случае структура поляризации элементарных областей на карте имеет зеркальную симметрию (см. рис. 3). Эта мода была впервые обнаружена в 2002 году на интерферометре DASI. Если же поляризация связана с гравитационными волнами, то ситуация меняется. Гравитационные волны, сжимая пространство, могут приводить к появлению не только Е-моды, но и так называемой В-моды поляризации. В последнем случае структура поляризации имеет характерный спиральный вид; ее часто называют «завитком», а саму моду вихревой. Такая структура B-моды обусловлена тем, что гравитационные волны, как и электромагнитные, могут иметь левую и правую поляризации (для электромагнитной волны это означает вращение вектора электрического поля в разные стороны). Таким образом, обнаружение В-моды поляризации в реликтовом излучении означало бы соответственно и обнаружение гравитационных волн. 

Однако слабость гравитационных волн не позволяет создать сильную поляризацию. Здесь на помощь может прийти инфляция. Дело в том, что в соответствии с ОТО гравитационные волны порождаются ускоренным движением массивных тел. А в период инфляции, почти сразу после рождения, Вселенная расширялась с просто чудовищным ускорением и за чрезвычайно короткое время порядка 10-35 с увеличилась более чем в 1030 раз. При этом должно было произойти усиление гравитационных волн, называемых первичными. Это усиление настолько значительно, что созданную ими поляризацию излучения можно обнаружить через 14 млрд лет. Именно поэтому обнаружение В-моды поляризации в реликтовом излучении означало бы одновременно и подтверждение инфляционной гипотезы.

Изучение первичных гравитационных волн даст бесценную информацию о процессах в первые мгновения после рождения Вселенной. Кроме того, столь мощные гравитационные волны могут оказать большое влияние на формирование галактик. И учет этого фактора, возможно, позволит объяснить быстрое формирование галактик и существование более крупномасштабной структуры в их распределении, чем ожидалось.

К удивлению авторов открытия В-моду поляризации удалось обнаружить легко, но еще три года ушло у них на повторные наблюдения, проверку результатов и анализ других факторов, которые могли бы приводить к образованию В-моды поляризации. В частности, гравитационное микролинзирование может трансформировать Е-моду в В-моду (проще говоря, прохождение излучения вблизи очень массивных объектов приводит к закручиванию поляризации). Именно такое происхождение имеет В-мода поляризации, обнаруженная в прошлом году на телескопе SPT. Как утверждают авторы открытия, эффект первичных гравитационных волн значительно выше, что позволяет отфильтровать нужные данные. Маловероятным оказалось и влияние космической пыли. Впрочем, некоторые специалисты высказывают сомнения в том, что было измерено действительно действие первичных гравитационных волн. Так что этот вопрос будет еще обсуждаться и проверяться.

Заметим, что проект BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization – фоновое изображение космической внегалактической поляризации) – не единственный в котором таким способом производился поиск первичных гравитационных волн. Эта работа велась еще целым рядом исследовательских групп, в том числе и на спутнике-обсерватории Европейского космического агентства «Планк». Там еще подобного результата не получили, но данные продолжают обрабатываться и есть определенные основания полагать, что они не противоречат представленным результатам. Так что будем ждать подтверждения. 

Работа была проведена на телескопе BICEP2, установленном на американской антарктической станции Амундсен-Скотт на Южном полюсе. Это одно из самых сухих и ясных мест на Земле, идеально подходящее для наблюдения на Земле слабого реликтового излучения.


По материалам http://www.cfa.harvard.edu/

Автор: Алексей Понятов

Источник: www.nkj.ru

Статьи по теме