Американські фізики оголосили про виявлення первинних гравітаційних хвиль, що виникли на етапі інфляції при утворенні нашого Всесвіту.
Про відкриття повідомили представники колаборації BICEP2 під керівництвом професора Гарварду Джона Ковача на проведеній 17 березня в Гарвард-Смітсонівському центрі астрофізики прес-конференції. Якщо результати отримають підтвердження, то це стане одним з найважливіших відкриттів у сучасній науці, гідним, на думку фахівців, Нобелівської премії.
Причин для такої високої оцінки відразу кілька. По-перше, вперше вдалося виявити гравітаційні хвилі, передбачені загальною теорією відносності (ОТГ) Ейнштейна ще в 1916 році. До цього моменту вони залишалися невловимими, незважаючи на свою майже вікову історію. Було розроблено багато методів виявлення і надточних приладів величезних розмірів, але достовірних результатів їх реєстрації отримано не було. Вся проблема в надзвичайній дещиці цих хвиль в околиці Землі. Так що, незважаючи на достатню експериментальну обґрунтованість ОТГ, це відкриття стане ще одним істотним аргументом на її користь.
По-друге, отримано ще одне підтвердження інфляційної теорії в сучасній космології, що дає нам інформацію про походження та еволюції нашого Всесвіту.
І, нарешті, по-третє, це дає в руки вченим новий метод дослідження Всесвіту, що дозволяє оцінити кількісно процеси, які призвели до народження цих хвиль.
Відкриття було зроблено на основі вимірювань поляризації реліктового випромінювання або, як називають його на Заході, космічного мікрохвильового фону. Це електромагнітне випромінювання, яке рівномірно заповнює весь всесвіт, - відгомін процесів, що відбувалися на початковому етапі розвитку нашого Всесвіту. Передбачене в рамках теорії Великого вибуху, воно є одним з найважливіших аргументів на користь цієї космологічної теорії. У результаті розсіювання на різних частинках (атомах, електронах) реліктове випромінювання придбало лінійну поляризацію. Це означає, що вектор електричного поля в електромагнітній хвилі коливається в певній площині. Вимірювання поляризації полягає у визначенні напрямку цього коливання та його вираженості (ступеня). У повсякденному житті ми стикаємося з подібною поляризацією при розсіянні світла в атмосфері або при відбитті від поверхні води. Фотографи, надягаючи на об'єктив поляризаційні фільтри, можуть позбавлятися від бліків на воді.
Автори відкриття склали карти розподілу в просторі напрямків поляризації реліктового випромінювання (структуру поляризації), аналіз якого дозволяє зробити висновок про механізм поляризації. Справа в тому, що при звичайному розсіюванні виникає так звана Е-мода поляризації. У цьому випадку структура поляризації елементарних областей на карті має дзеркальну симетрію (див. рис. 3). Ця мода була вперше виявлена в 2002 році на інтерферометрі DASI. Якщо ж поляризація пов'язана з гравітаційними хвилями, то ситуація змінюється. Гравітаційні хвилі, стискаючи простір, можуть призводити до появи не тільки Е-моди, але і так званої В-моди поляризації. В останньому випадку структура поляризації має характерний спіральний вигляд; її часто називають «завитком», а саму моду вихрівою. Така структура B-моди обумовлена тим, що гравітаційні хвилі, як і електромагнітні, можуть мати ліву і праву поляризації (для електромагнітної хвилі це означає обертання вектора електричного поля в різні боки). Таким чином, виявлення В-моди поляризації в реліктовому випромінюванні означало б відповідно і виявлення гравітаційних хвиль.
Однак слабкість гравітаційних хвиль не дозволяє створити сильну поляризацію. Тут на допомогу може прийти інфляція. Справа в тому, що відповідно до ОТГ гравітаційні хвилі породжуються прискореним рухом масивних тіл. А в період інфляції, майже відразу після народження, Всесвіт розширювався з просто жахливим прискоренням і за надзвичайно короткий час близько 10-35 з збільшилася більш ніж в 1030 разів. При цьому мало відбутися посилення гравітаційних хвиль, званих первинними. Це посилення настільки значно, що створену ними поляризацію випромінювання можна виявити через 14 млрд років. Саме тому виявлення В-моди поляризації в реліктовому випромінюванні означало б одночасно і підтвердження інфляційної гіпотези.
Вивчення первинних гравітаційних хвиль дасть безцінну інформацію про процеси в перші миті після народження Всесвіту. Крім того, такі потужні гравітаційні хвилі можуть мати великий вплив на формування галактик. І врахування цього фактора, можливо, дозволить пояснити швидке формування галактик і існування більш великомасштабної структури в їх розподілі, ніж очікувалося.
На подив авторів відкриття В-моду поляризації вдалося виявити легко, але ще три роки пішло у них на повторні спостереження, перевірку результатів та аналіз інших факторів, які могли б призводити до освіти В-моди поляризації. Зокрема, гравітаційне мікролінзування може трансформувати Е-моду в В-моду (простіше кажучи, проходження випромінювання поблизу дуже масивних об'єктів призводить до закручування поляризації). Саме таке походження має В-мода поляризації, виявлена минулого року на телескопі SPT. Як стверджують автори відкриття, ефект первинних гравітаційних хвиль значно вищий, що дозволяє відфільтрувати потрібні дані. Малоймовірним виявився і вплив космічного пилу. Втім, деякі фахівці висловлюють сумніви в тому, що було виміряно дійсно дію первинних гравітаційних хвиль. Так що це питання буде ще обговорюватися і перевірятися.
Зауважимо, що проект BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization - фонове зображення космічної позагалактичної поляризації) - не єдиний в якому таким способом проводився пошук первинних гравітаційних хвиль. Ця робота велася ще цілою низкою дослідницьких груп, у тому числі і на супутнику-обсерваторії Європейського космічного агентства «Планк». Там ще подібного результату не отримали, але дані продовжують оброблятися і є певні підстави вважати, що вони не суперечать представленим результатам. Так що будемо чекати підтвердження.
Робота була проведена на телескопі BICEP2, встановленому на американській антарктичній станції Амундсен-Скотт на Південному полюсі. Це одне з найбільш сухих і ясних місць на Землі, ідеально підходяще для спостереження на Землі слабкого реліктового випромінювання.
За матеріалами http://www.cfa.harvard.edu/