[Перевод] Доказательство существования Вселенной до Большого взрыва

Как характерная черта, основанная на наблюдении космической инфляции, может провозгласить научную революцию века (18 марта 2014 года)

Несмотря на название, Теория большого взрыва – это вообще не теория взрыва. Это теория последствий взрыва.
— Алан Гут

Когда вы представляете себе начало Вселенной, вы, наверно, думаете о горячем, плотном состоянии, наполненном материей и излучением, которое невероятно быстро расширяется и охлаждается (и, кстати, так всё и было). Но чего нельзя сделать – так это экстраполировать назад до произвольно горячего и плотного состояния. Вы можете думать, что без проблем пройдёте назад по времени, до «сингулярности» с бесконечными температурой и плотностью, когда вся энергия Вселенной была сжата в единую точку – но это не соответствует действительности.

Одна из замечательных особенностей Вселенной состоит в том, что излучение, зародившееся в то время, всё ещё существует. Оно претерпевало отражения от заряженных частиц во времена Вселенной, бывшей юной, горячей и ионизированной (а это продлилось в течение 380 000 лет). Когда Вселенная стала электрически нейтральной (когда материя впервые сформировала нейтральные атомы), оставшееся от Большого взрыва излучение устремилось по прямой, не прерываемое этой нейтральной материей.

По мере расширения Вселенной — из-за того, что энергия излучения определяется длиной волны – эти длина волны растягивалась вместе с расширением пространства, а энергия с тех пор весьма сильно упала. Но это очень помогает нам, поскольку даёт материал для наблюдений.

И если бы мы могли увидеть и измерить эти волны, они дали бы нам окошко для заглядывания в раннюю Вселенную! И вот, в 1960-х, Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили это остаточное свечение от Большого взрыва – излучение, равномерно идущее во всех направлениях, всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля – и в нём учёные сразу узнали микроволновое космическое фоновое излучение, которое так долго искали!

Спустя 50 лет мы добились невероятного прогресса. Мы смогли не только измерить энергетический спектр этого излучения, но и измерить присущие ему крошечные флуктуации температуры, а так же их масштабы, их взаимосвязь между собой и как это все относится к эволюции Вселенной.

В частности, мы узнали, как выглядела Вселенная в возрасте 380 000 лет, из чего она сделана, и как взаимодействующая материя повлияла на излучение на его пути к нашим глазам длиною в 13,8 миллиардов лет.

Но есть ещё кое-что, что может дать нам информацию об этих вещах: мы можем изучать не только энергию и температуру света, но и его поляризацию. Дайте-ка я поясню.

По сути, свет – это электромагнитная волна. Значит, он состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей, перпендикулярных друг другу, у него есть особая длина волны (определяемая энергией), и он распространяется со скоростью света.

Пролетая мимо заряженных частиц, отражаясь от поверхности, взаимодействуя с другими электромагнитными явлениями, электрические и магнитные поля реагируют с окружающей их средой.

Изначально полученный свет должен быть неполяризованным, но огромное количество вещей приводит к его поляризации самыми разными способами. Иначе говоря, свет, который обычно имеет случайно ориентированные электрические и магнитные поля, может испытать взаимодействия, в результате которых у них появится предпочтительная ориентация. И вот она уже сможет рассказать нам очень много познавательных вещей про то, с кем свет взаимодействовал за свою историю.

Эффект поляризации фонового микроволнового излучения впервые открыли в прошлом десятилетии при помощи спутника WMAP, а от обсерватории «Планк» в будущем ожидают ещё лучших результатов (но этот тип исследований, надо отметить, очень сложен в реализации). Поляризация, благодаря которой свет выглядит «радиальным», называется Е-модой поляризации (для электрических полей), а та, из-за которой свет «закручен», называется B-модой поляризации (для магнитных полей).

Большинство наблюдаемых эффектов произошло из-за миллиардов световых лет материи, которую прошёл насквозь свет; мы называем это «передним планом». Ему пришлось пройти весь путь во всех направлениях со времён эры излучения, чтобы дойти сегодня до наших глаз.

Но крохотная, малюсенькая часть поляризации должна была дойти до нас с более ранних времён. Видите ли, до Большого взрыва – до того, как Вселенную вообще можно было бы описать, как горячую, плотную, и наполненную материей и излучением – Вселенная просто экспоненциально расширялась; это был период космической инфляции. В это время во Вселенной господствовала энергия, присущая самому пустому пространству – энергия в количестве гораздо большем, чем присутствует в ней сегодня.

В это время квантовые флуктуации – присущие самому пространству – растягивались по Вселенной, и обеспечивали изначальные флуктуации плотности, которые породили сегодняшнюю Вселенную.

Но только в регионах, где закончилась инфляция, и где эта энергия, присущая пространству, преобразовывается в материю и излучение, и случается Большой взрыв.

И в этих регионах – где закончилась инфляция – у нас получается Вселенная, гораздо большая, чем наблюдаемый её участок. Это и есть идея мультивселенной, и именно поэтому мы считаем, что, скорее всего, живём в ней.

А что насчёт самой этой инфляции? Можем ли мы что-нибудь узнать о ней?

Вы можете решить, что квантовые флуктуации – и посеянные ими флуктуации плотности – это всё, что у нас есть. И до недавнего времени я бы вам так и сказал. Но в теории инфляция порождает и гравитационные волны, которые мы до сих пор не могли обнаружить. LISA, космическая антенна лазерного интерферометра (проект, отодвинутый в лучшем случае в 2030-е), был нашей лучшей надеждой на прямое обнаружение волн.

Но и без LISA гравитационные волны можно обнаружить непрямым методом. Хотя гравитационные волны и свет передвигаются с одинаковой скоростью, свет замедляется при проходе через среду. Это происходит даже в такой разреженной среде, как межгалактическое и межзвёздное пространство! А поскольку гравитационные волны не замедляются – на них влияет только кривизна пространства-времени – они обгоняют свет и сами приводят к поляризации!

Вообще, именно деформации пространства-времени на определённых масштабах растягивают волны света определённым образом, когда они путешествуют от Большого взрыва и до наших глаз.

Конкретно, характерные признаки гравитационных волн должны проявиться, как B-мода поляризации, и они должны оставить специфический рисунок на больших масштабах.

Хотя в обсерватории «Планк» должны это увидеть и подтвердить, его опередила команда, работающая на Южном полюсе: BICEP2!

На масштабах порядка 1,5 градусов B-мода поляризации весьма очевидна, и её уже объявляли открытой, правда со значимостью 2,7σ (примечание: на данных масштабах значимость составляет 5,2σ, но им надо убедить всех, что этот уровень обнаружения не появился благодаря комбинации переднего плана и систематики). 2,7σ означает, что существует 2% шанс того, что это обнаружение ложное, и исчезнет с получением большего количества данных. Но в мире науки это довольно большая вероятность, поэтому пока не стоит считать это открытие свершившимся фактом.

Если открытие выдержит проверку, это будет весьма серьёзным событием. Именно это нам надо измерить, и не только для того, чтобы узнать, была ли инфляция (скорее всего, она была), но чтобы узнать, какая из моделей инфляции описывает Вселенную?

«Планк», выпустив первые результаты в прошлом году, не обнаружил вообще ничего.

Существует несколько общих типов инфляции, которые могли произойти: в частности, если значение r в указанных графиках окажется равным нулю, это будет в пользу модели «малых полей», а если он окажется чем-то огромным (например, 0,2, судя по этим результатам), это будет доказательством модели «больших полей».

Однозначный ли это результат? Нет. Нам нужна гораздо лучшая статистика, чтобы объявить это открытием – мы не можем принять эти результаты и объявить: «да, это изначальные гравитационные волны, оставшиеся со времени до инфляции», так как нам нужны доказательства получше. 2,7σ – это неплохо, но в жестоком мире физики нам нужен подтверждённый результат в 5σ. Мусорная корзина истории физики полна «открытий» с 3σ, которые исчезли с поступлением новых данных.

Мы знаем, что инфляция была; истоки структуры во Вселенной – её сегодняшний внешний вид, её вид 13,8 миллиардов лет назад, и в любом месте в промежутке – уже рассказал нам об этом. Но есть возможность, и первые намёки, что гравитационные волны также могли остаться. И если выяснится, что мы действительно их увидели, мы должны будем получить подтверждение этому в следующие несколько лет. Но если наблюдение перейдёт в разряд незначительных по мере сбора данных, это не будет означать, что модель инфляции неправильная – только, что не она производит самые сильные B-моды.

Это пока ещё не «открытие», но намёк, что мы могли наткнуться на что-то удивительное: первый намёк на то, как родилась наша Вселенная. Если он окажется верным, это будет открытие столетия. Но если новые данные опровергнут его – что вполне может произойти – это не значит, что модель инфляции неправильная; это значит, что гравитационные волны от инфляции меньше, чем предсказывали самые оптимистичные модели.

Но будет оно реальным или нет, мы всё равно узнаем ещё немного о том, как появилась вся наша Вселенная.

Обновление: в комментариях к оригинальной статье читатели сообщали, что в работе упоминается значимость больше, чем 5σ. В частности, они смотрят на определённый участок угловой шкалы, где они и в самом деле видят сигнал со значимостью в 5.2σ.

Может ли фокусировка быть за это в ответе? Это единственный компонент, который можно вычеркнуть – если я, конечно, правильно понял работу – со значимостью всего лишь в 2.7σ.

Смотрите сами.

Значимость результата не выше, чем у самого вероятного из источников неопределённости, и если даже r и может быть равен нулю, очень важно исключить эту возможность. В работе её, возможно, исключили, но мне не показалось, что это было сделано чётко и ясно. Тем не менее, мне очень интересно, как это всё будет развиваться! Если они исключат фокусировку так же, как и синхротронную эмиссию, ограничение в 5σ будет выполнено, и это уже будет означать Нобелевку!

Более позднее примечание к статье, написанной 18 марта 2014 года:

17 марта 2014 года учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили о обнаружении B-моды на уровне r = 0,2. Однако, более поздний анализ (опубликован 19 сентября 2014), проведённый другой группой исследователей с использованием данных обсерватории «Планк», показал, что результат BICEP2 можно полностью отнести на счёт галактической пыли.