Эксперимент BICEP2 подтверждает важнейшее предсказание теории космической инфляции

22.03.14 | Астрофизика, Игорь Иванов |

Специализированный телескоп BICEP2, работающий на Южном полюсе и измеряющий поляризацию космического микроволнового излучения, обнаружил реликтовые B-моды поляризации. Их наличие указывает на то, что по ранней Вселенной гуляли сильные гравитационные волны. Они, в свою очередь, могли возникнуть только на стадии инфляции — сверхбыстрого раздувания Вселенной, когда ей было примерно 10^–32 секунды от роду. Результаты BICEP2 не только впервые подтверждают важное предсказание инфляционной теории, но и открывают новую главу в наблюдательной космологии — с важными последствиями не только для астрофизики, но и для физики элементарных частиц.

Главные результаты BICEP2

17 марта были обнародованы результаты наблюдательного астрофизического эксперимента BICEP2, который изучает поляризацию реликтового излучения. Реликтовое излучение — это космический микроволновой фон, свет молодой Вселенной, излученный ею в возрасте 380 тыс. лет и несущий в себе отпечатки процессов, происходивших во Вселенной в ту эпоху. Коллаборация BICEP2 обнаружила особые характеристики этого излучения, так называемые поляризационные B-моды (рис. 1), и благодаря им впервые заглянула в еще более раннюю — невообразимо более раннюю! — Вселенную. Результаты были анонсированы на специально созванной пресс-конференции; одновременно с этим вышла подробная научная статья группы, а на сайте эксперимента была выложена вся сопутствующая техническая информация.

В астрофизическом сообществе это сообщение вызвало эйфорию, и она вполне оправданна. Результат BICEP2 — если он действительно подтвердится — впервые открывает возможность экспериментальной проверки свойств Вселенной в эпоху космической инфляции, отстоящую от момента Большого взрыва на ничтожную долю секунды. Теория инфляционной вселенной, остававшаяся до сих пор любопытной, захватывающей воображение, пусть правдоподобной — но всё-таки гипотезой, превратилась в факт биографии нашей реальной Вселенной. Последствия для астрофизики и для физики элементарных частиц — огромны.

Прежде, чем подробно рассказывать о самой работе, надо исправить некоторое смещение акцента, сделанное во многих СМИ. В них сообщается, что BICEP2 обнаружил гравитационные волны, и это иногда подается как главный результат. Это вовсе не так. В существовании гравитационных волн никто не сомневается, и за их косвенное обнаружение уже присуждена Нобелевская премия по физике за 1993 год. Результат BICEP2 — это тоже косвенное, а не прямое подтверждение существования гравитационных волн. Прямая их регистрация на детекторах гравитационных волн еще не достигнута; эта будущая Нобелевская премия еще ждет своего лауреата.

Намного более важным является то, откуда взялись эти гравитационные волны в ранней Вселенной, что является их источником, о чём они рассказывают. Гравитационные волны здесь выступают в роли инструмента исследования ранней Вселенной, который позволяет заглянуть поверх физических барьеров в ту далекую эпоху, до которой даже близко «не добивают» никакие иные методы наблюдения. Если результат BICEP2 и его интерпретация действительно верны, они дают нам сразу несколько важнейших новых знаний об устройстве нашего мира.

• Обнаружено, что в ранней Вселенной были довольно сильные первичные гравитационные волны, и получена оценка интенсивности этих волн. Считается, что эти первичные гравитационные волны могли возникнуть только во время стадии инфляционного раздувания Вселенной.
• Таким образом, инфляция — это уже не фантазия и не абстрактная математическая теория, а реальное фундаментальное свойство нашего мира. Более того, это свойство теперь доступно экспериментальному изучению. Уже первые измерения интенсивности первичных гравитационных волн отдают предпочтение одним моделям инфляции, закрывают другие и, конечно же, отбрасывают альтернативные варианты возникновения Вселенной, например экпиротический сценарий.
• Инфляция должна вызываться инфлатонным полем, которого, по-видимому, нет в Стандартной модели физики элементарных частиц. Результат BICEP2 — подтверждение того, что это поле существует.
• Наличие этого поля и измеренная интенсивность гравитационных волн намекают на то, что существует Новая физика на масштабе порядка 10¹⁶ ГэВ. Этот энергетический масштаб до боли напоминает теоретически предсказанный масштаб Великого объединения, то есть объединения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия в рамках единой теории. Следует ли из этого делать какие-то далеко идущие выводы — вопрос открытый.
• И гравитационное поле, и инфлатонное поле тоже испытывают квантовые флуктуации, которые инфляция раздувает до огромных размеров. Без квантовых флуктуаций гравитационного поля не было бы сильных первичных гравитационных волн. Поэтому результат BICEP2 можно считать экспериментальным подтверждением квантовой гравитации, пусть и косвенным.

Если результат BICEP2 выдержит проверки — как экспериментальные, на других установках, так и теоретические, — он станет самым громким космологическим открытием как минимум с 1998 года, когда было обнаружено ускоренное расширение Вселенной. Более того, это открытие повлияет не только на астрофизику, но и на фундаментальную физику микромира. Для современной физики элементарных частиц, которая сейчас задыхается в плену Стандартной модели, это станет редким глотком свежего воздуха, надеждой на обнаружение Новой физики.

Космическая инфляция и ее наблюдаемые последствия

Рассказ о том, что такое космическая инфляция и как она могла протекать, лучше всего услышать из уст Андрея Линде, одного из авторов этой идеи. Но для понимания контекста открытия, сделанного BICEP2, достаточно рассмотреть рис. 2, на котором изображены ключевые этапы эволюции Вселенной от момента Большого взрыва и до наших дней по представлениям современной физики.

Что представляет собой Большой взрыв, доподлинно не известно, хотя теории на этот счет, конечно, имеются. Главное, что сразу после этого Вселенная — кроме прочих частиц и полей — была заполнена особым инфлатонным полем, «движущей силой» инфляции. Это поле в силу своих необычных свойств заставляло пространство расширяться огромными темпами, увеличиваясь за ничтожную долю секунды в «10 в степени 10 в степени много» раз. Всё, чем была Вселенная заполнена до той поры, — разнеслось прочь на недостижимые сейчас расстояния. Вселенная вдруг стала совершенно пустой и холодной. В ней осталось только инфлатонное поле и гравитация, которая, будучи связанной с пространством-временем, присутствует всегда. В ходе этого бешеного раздувания Вселенной у обоих полей, инфлатонного и гравитационного, возникали квантовые флуктуации — и тут же вырастали до огромных размеров. Наконец, в какой-то момент инфлатонное поле «скатилось в минимум» и превратилось в сверхплотную и сверхгорячую смесь всевозможных частиц и излучений. Инфляция закончилась, и началась стадия обычного расширения и постепенного остывания Вселенной.

Однако от инфляции остались последствия — раздувшиеся до больших размеров флуктуации двух полей (верхняя часть рис. 2). Инфлатонные флуктуации перешли в неоднородности плотности горячего вещества, на которых потом стала нарастать крупномасштабная структура Вселенной. (Вдумайтесь только — галактики, звезды, да и мы с вами являемся «потомками» квантовых флуктуаций инфлатонного поля!) А гравитационные флуктуации превратились в первичные гравитационные волны, которые начали гулять по Вселенной.

В ходе дальнейшей эволюции Вселенная была поначалу заполнена горячей плазмой. Свет в такой Вселенной не мог свободно распространяться, а постоянно рассеивался на свободных электронах. Первичные гравитационные волны вызывали дополнительные специфические деформации плазмы, и тем самым влияли на ее свечение. До поры до времени это влияние постоянно стиралось из-за рассеяния света в плазме. Однако когда Вселенной было примерно 380 тыс. лет, температура упала до нескольких тысяч градусов и плазма начала превращаться в нейтральный газ. Вселенная резко стала прозрачной для фотонов, и после последнего рассеяния на электронах фотоны были уже предоставлены сами себе и могли лететь миллиарды лет сквозь Вселенную (рис. 2). Вот этот отголосок свечения ранней горячей Вселенной мы сейчас и регистрируем как реликтовое излучение и тем самым прощупываем состояние Вселенной в момент ее резкого «просветления». Спутниковые наблюдения за реликтовым излучением ведутся давно, и благодаря им мы сейчас знаем «пятнистую» структуру реликтового излучения в мельчайших деталях (рис. 3). Очередь теперь за столь же аккуратным измерением поляризации.

Теоретические расчеты показали, что деформация плазмы за счет гравитационных волн должна создавать определенную картину поляризации реликтового излучения, которую можно попробовать зарегистрировать экспериментально. Но гравитационные волны в ту эпоху могли быть только первичными. Это в нынешней Вселенной сильные гравитационные волны могут излучаться разными компактными объектами, а тогда никаких компактных массивных объектов еще не было — ведь вещество еще не успело скучковаться во что-то компактное! Именно поэтому стало ясно, что регистрация необычной поляризации реликтового излучения позволит увидеть гравитационные волны во Вселенной возрастом 380 тыс. лет, а через них — заглянуть во Вселенную возрастом 10^–32 секунды. Таким образом, открывается возможность экспериментально проверить предсказания инфляционной теории.

Поляризация реликтового излучения и ее поиск

Теперь нужно рассказать, откуда вообще берется поляризация реликтового излучения и как из нее извлекать информацию о свойствах ранней Вселенной. Реликтовое излучение — это свечение нагретого тела, и обычно такое свечение неполяризовано. В ранней Вселенной нагретым телом являлась плазма с неоднородностями плотности и температуры, и из-за них излучение приобретало небольшую поляризацию. Этот эффект проиллюстрирован на рис. 4.

Возьмем какой-нибудь фотон реликтового излучения, зарегистрированный сейчас на Земле, и проследим его прошлое. Мы сейчас его видим в том поляризационном состоянии, в котором он находится в эпоху просветления Вселенной, после последнего рассеяния на свободных электронах. Когда фотон рассеивается на электроне, он приобретает частичную поляризацию перпендикулярно плоскости рассеяния. Если свет падает на электроны одинаково со всех сторон, то в среднем рассеянный свет остается неполяризованным, поскольку все направления представлены равновероятно.

Однако если в плазме есть неоднородности, то с одной стороны света приходит больше, чем с другой, и тогда свет становится частично поляризован.

Если неоднородность имеет вид волны с чередованием более горячей и более холодной полосок, то в холодных полосках поляризация будет параллельна им, а в горячих — перпендикулярна (рис. 5, вверху). Если теперь взять какое-то отдельное тепловое пятнышко в карте реликтового излучения, то поляризация будет выглядеть «звездочкой» вблизи холодного пятна и «кружочком» — близи горячего (рис. 5, внизу). И тот, и другой тип поляризации называется «E-модой». E-мода не представляет собой ничего необычного, а просто отражает неоднородности светящейся плазмы.

Однако если сквозь плазму прошла гравитационная волна, картина получится иной. Вокруг отдельных пятнышек будет возникать своеобразная завихренность поляризации (рис. 6). Такие виды поляризации называются «B-модами». Обозначения «E-моды» и «B-моды» — это дань математическому методу классификации таких паттернов; они напоминают электрические и магнитные моды поля излучения. Характерная их особенность, которую можно увидеть на рис. 5 и 6, состоит в том, что E-моды симметричны относительно зеркального отражения, а B-моды — нет. Подробнее о том, как гравитационные волны создают такую поляризацию, см. в презентации CMB Polarization, а чуть более техническое введение можно найти в статье A CMB Polarization Primer.

Итак, B-моды поляризации не могут возникнуть из-за простых волн сгущения и разряжения плазмы. Они требуют именно гравитационных волн. Но в ранней Вселенной, в момент ее просветления в возрасте 380 тыс. лет, сильные гравитационные волны могли быть вызваны только инфляцией. Именно поэтому такой, казалось бы, технический вопрос, как детектирование B-мод, приобрел для астрофизиков столь большое значение.

К сожалению, не всё тут так гладко. Во-первых, выяснилось, что B-моды могут возникать и от обычных астрофизических процессов в современной Вселенной, а именно за счет гравитационного линзирования микроволнового излучения (рис. 7). Однако теоретические расчеты показали, что эти два эффекта можно разделить экспериментально. Реликтовые гравитационные волны должны порождать крупномасштабные B-моды, а эффекты линзирования — мелкомасштабные. Поэтому для того, чтобы «заглянуть» в эпоху инфляции, нужно не просто зарегистрировать B-моды, а еще и построить их распределение по масштабам и отделить два эффекта друг от друга.

Что касается экспериментальных поисков, то поляризация реликтового излучения была впервые зарегистрирована в 2002 году, но это, конечно, были только E-моды. Поиск B-мод стал в последние годы одной из главных целей наблюдательной космологии. Около десятка экспериментов, как наземных, так и космических, либо уже опубликовали свои ограничения сверху на величину B-мод, либо накапливают данные для анализа. Год назад мелкомасштабные B-моды были наконец-то найдены детектором SPT (он, кстати, тоже находится на Южном полюсе рядом с BICEP2). После этого «погоня за инфляцией», можно сказать, вышла на финишную прямую. Технология работает, поляризация регистрируется, и осталось поднажать еще чуть-чуть, чтобы долгожданные реликтовые гравитационные волны начали проступать в поляризационной картине. Правда, совершенно неизвестно было, насколько сильным или слабым окажется этот сигнал; так что тут физикам повезло: достаточная для открытия статистика была накоплена всего за три года, а не за десятилетия.

Некоторые подробности работы

Проект BICEP с самого начала отличался от других «охотников» за B-модами тем, что он не многоцелевой, а специально «заточен» для этого поиска и обнаружения сигнала от первичных гравитационных волн. Такой специализированный проект, конечно, подразумевал немалую долю «научного риска» — либо будет громкое открытие, либо ничего.

Сама по себе установка BICEP2 представляет собой очень скромный по размерам телескоп-рефрактор, способный «разглядеть» участок неба размером в несколько десятков градусов. Апертура его оптической системы составляет всего 26 см против многих метров у телескопов-гигантов. Однако настроен этот телескоп не на оптическое, а на микроволновое излучение частоты 150 ГГц и нацелен он на поляризацию этого излучения. В фокальной плоскости телескопа расположен специальным образом собранный массив из 512 микроскопических антенных детекторов (рис. 8). В них электромагнитная волна вызывает тепловой отклик, который регистрируется столь же микроскопическими сверхпроводящими термометрами. Вся установка помещена в резервуар с жидким гелием, а фокальная плоскость поддерживается при температуре 0,27 К. Выбор местоположения обусловлен тем, что здесь имеются отличные условия для наблюдения за микроволновым фоном: атмосфера разрежена, погода всегда ясная, электромагнитные шумы очень низки из-за удаленности от цивилизации.

Изучение поляризации микроволнового излучения требует от детектора очень высокой чувствительности. Температура реликтового излучения составляет 2,7 К, но в целом это излучение очень изотропно, амплитуда неоднородностей температуры (пятен на рис. 3) составляет всего долю милликельвина. Поляризация, которая ими вызывается, и того меньше — если ее пересчитать в температуру, то получаются считанные микрокельвины. А значит, B-моды, которые представляют собой еще более тонкий эффект, требуют чувствительности в десятые доли микрокельвина. BICEP2 с этой задачей успешно справляется: его погрешность в измерении поляризационной карты за три года наблюдений составила 87 нК.

Первый сеанс работы установки BICEP прошел в 2006–2008 годах. Были получены ограничения сверху на интенсивность B-мод, но никакой надежной регистрации тогда не состоялось. После этого установка была модернизирована; ее чувствительность возросла на порядок благодаря намного большему числу антенных детекторов в фокальной плоскости. Новый сеанс набора данных прошел в 2010–2012 годах (суммарное время наблюдений — 590 дней), и сейчас были обнародованы первые его результаты.

Первым делом по результатам наблюдений была построена карта поляризационных параметров. Затем из этого пространственного распределения были выделены отдельно E-моды и B-моды поляризации. На рис. 1 вверху показана как раз отдельная карта B-мод. Интенсивность B-мод в зависимости от их углового масштаба показана на рис. 9. Видно, что для адекватного описания результатов BICEP2 обычного гравитационного линзирования недостаточно. Это также проиллюстрировано и на рис. 1 внизу, где показан результат моделирования той картины, которую мог бы видеть детектор, если бы первичных гравитационных волн не было. Таким образом, данные явно указывают на наличие нового эффекта, порождающего B-моды.

Статистическая значимость сигнала самого по себе составляет 5,9σ, и по критериям современной физики такой результат считается полноценным открытием. Однако статистическая значимость утверждения, что этот сигнал не сводится к посторонним астрофизическим эффектам, пока что невелик — всего 2,3σ. Говоря простыми словами, BICEP2 неопровержимо зарегистрировал присутствие B-мод, которые, скорее всего, вызваны первичными гравитационными волнами, однако окончательного вердикта здесь пока вынести нельзя. Для этого потребуются еще более аккуратные измерения поляризации, а также тщательная проверка того, на что способны прочие астрофизические эффекты.

Если открытие BICEP2 действительно относится к инфляции, то тем самым открывается возможность выполнить еще ряд проверок предсказаний инфляционной теории. Это аккуратное измерение спектрального показателя как флуктуаций плотности, так и первичных гравитационных волн. Инфляция предсказывает, что между этими двумя спектральными показателями есть связь, и при соответствующей точности измерений ее можно проверить. Кроме того, можно попробовать зарегистрировать еще более крупномасштабные B-моды поляризации — они тоже предсказываются теорией. Правда, для этого потребуется измерять реликтовое излучение уже по всему небу, а это может выполнить только космический телескоп. Это пытается сейчас сделать спутник Planck — регистрация B-мод поляризации является одним из важнейших пунктов его научной программы.

Ну а астрофизикам-теоретикам сейчас настоящее раздолье. Можно пытаться объяснять в рамках разных теорий измеренную интенсивность реликтовых гравитационных волн. Можно делать новые конкретные предсказания для экспериментов. Можно проявлять здоровый скептицизм и пытаться выяснить, не является ли обнаруженный эффект хитрым проявлением какого-то обычного астрофизического процесса. И этот ажиотаж уже начался — в архиве е-принтов сейчас появляется по несколько статей в день, посвященных осмыслению и использованию результата BICEP2. Огромный интерес сохранится, а возможно и усилится, в ближайшие год-два, когда подоспеют и другие измерения.

Источник: BICEP2 Collaboration, BICEP2 I: Detection Of B-mode Polarization at Degree Angular Scales // е-принт arXiv:1403.3985 [astro-ph.CO].

Дополнительная техническая информация:
1) BICEP2 Collaboration. BICEP2 II: Experiment and Three-Year Data Set // е-принт arXiv:1403.4302 [astro-ph.CO].
2) BICEP2 2014 Results Release — сайт коллаборации с подробной технической информацией об эксперименте и его результатах.
3) W. Hu, M. White. A CMB Polarization Primer, е-принт astro-ph/9706147 — вводный обзор про поляризацию реликтового излучения и его измерение.

Популярные материалы:
1) А. Линде. Многоликая Вселенная, публичная лекция фонда «Династия».
2) CMB Tutorials — подборка вводных материалов про реликтовое излучение.
3) Серия популярных заметок в блоге Матта Стресслера про результат BICEP2 и его значение.