[Перевод] Спросите Итана №54: какой самый ранний из сигналов Вселенной мы зафиксировали?

Есть ли способ заглянуть за барьер, существующий перед тем моментом жизни Вселенной, когда она стала прозрачной?

С ранних времён люди – исследователи и мыслители – хотели выяснить форму их мира. И мы всегда делали это, рассказывая истории. Трудно позволить правде встать на пути хорошей истории.
— Адам Сэвидж

После небольшого перерыва я рад объявить о возвращении нашей колонки. Каждую неделю мы предлагаем вам высылать ваши вопросы и предложения, чтобы получить на них подробный ответ, используя все возможности научного знания. В связи с долгим отсутствием я решил выдать вам сразу три ответа в одном, благодаря Жерару, который спрашивает:

Два астрономических вопроса:
1) на гравитационные волны, по идее, не должен влиять заряд материи. Возможно ли, что они помогут нам заглянуть дальше времени реликтового излучения? То есть, преодолеть барьер реликтового излучения?
2) Фотоны рассеиваются заряженными частицами сильнее, чем нейтральными атомами водорода. Будут ли фотоны определённых частот рассеиваться больше других заряженными частицами?

И личный вопрос: как вы заинтересовались астрономией? Из-за учителя в колледже? Из-за родственника? Из-за похода в планетарий?

Начнём с первых двух вопросов и настоящего времени.

Когда мы смотрим на Вселенную, то естественно было бы думать, что то, что мы видим, ограничено лишь тем, как много света мы можем собрать. Если нам нужно обнаружить удалённый или тусклый объект, нам нужно собрать свет с большей площади (телескопом с большей апертурой) или за больший период времени (с более долгой экспозицией), и мы его увидим. Эту технику мы довольно часто используем – так у нас и получились картинки вроде Hubble Deep Field, Hubble Ultra Deep Field, и, совсем недавно,-  the Hubble eXtreme Deep Field (ниже).

Но мы видим эти галактики, хоть и весьма удалённые, потому что свет дошёл по линии прямой видимости через практически пустое пространство до нас без препятствий. Хотя нейтральная материя – газ и пыль – поглощают и снова испускают свет определённых длин волн, Вселенная не всегда была в таком состоянии, когда материя существовала в стабильных и нейтральных состояниях.

Когда Вселенная была горячее, моложе и плотнее, нейтральные атомы не были стабильными из-за высоких температур и больших кинетических энергий окружения. Космосу уже 13,8 миллиардов лет, и он холоден и пуст. Но в возрасте несколько сотен тысяч лет он был такой горячий и плотный, что нейтральные атомы не могли возникнуть! Вселенная была ионизированной плазмой из электронов, ядер, фотонов и других частиц.

Это плохо, поскольку фотоны мало что могут рассказать о том времени. Когда Вселенная ионизирована, фотоны очень хорошо рассеиваются свободными электронами. Второй вопрос Жерара был: рассеиваются ли фотоны определённых частот эффективнее других. Для энергий, типичных для Вселенной возрастом в несколько тысяч лет, фотоны высоких частот сдвигались к более низким при столкновениях с электронами (рассеивание Комптона), фотоны низких частот сдвигались к верхним при столкновениях с высокоэнергетическими электронами (обратное рассеивание Комптона), но какова вообще вероятность столкновения?

Об этом рассказывает профиль Томсона:

Оно не зависит от энергии, частоты и длины волн фотонов, поэтому ответ на второй вопрос: нет, фотоны всех частот рассеивались слишком часто, чтобы сохранить и передать информацию о временах, предшествующих реликтовому излучению.

Но у гравитационных волн таких проблем нет.

Гравитационные волны (или гравитоны, если вам нравится описание в терминах частиц) – это волны в ткани самого космоса. Они двигаются со скоростью света в вакууме, но лишь искажают пространство. Их испускают, но, насколько мы знаем, не поглощают изменения в конфигурации масс.

И хотя обычно мы говорим об обычных астрофизических источниках, испускающих эти волны – нейтронных звёздах, чёрных дырах, белых карликах, вращающихся по орбите системах и сверхновых – моменты, приведшие к Большому взрыву, также должны были их создать!

Во время эпохи космической инфляции, предшествовавшей и приведшей к Большому взрыву, существовало два типа квантовых флуктуаций, случившихся и распространившихся по Вселенной. Один тип – флуктуации во всех существовавших векторных, спиновых и скалярных квантовых полях. Они привели к флуктуациям плотности, а позднее – к появлению регионов, которые затем превратятся в звёзды, галактики и кластеры, или же огромные пустые пространства. А другим типом были флуктуации в тензорных квантовых полях Вселенной, приведшие к гравитационному излучению. Это излучение можно в принципе обнаружить улучшенными версиями наземных или космических лазерных интерферометров. Хотя они должны быть сильно улучшенными по сравнению с нашими сегодняшними проектами.

Инфляция даёт очень конкретные классы предсказаний того, каков должен быть спектр созданных ею гравитационных волн, и разные модели делают предсказания, разнящиеся в этих деталях.

Если модель инфляции окажется неправильной, спектр гравитационных волн, родившихся в ранней Вселенной, должен быть совсем другим.

В любом случае, верным будет следующее:

• В ранней Вселенной – с очень горячим, плотным и расширяющимся состоянием, с энергиями выше, чем мы можем достигнуть в наземных или астрофизических лабораториях – должны были появиться гравитационные волны
• Эти волны не изменились бы, за исключением красного смещения, проходя через материю, излучение и пространство, с момента возникновения и по сегодняшний день
• У волн должен быть определённый набор амплитуд, зависящих от частот. Была инфляция или нет, измерения фонового гравитационного излучения должны дать нам дополнительную информацию о рождении Вселенной

Если теория инфляции права, единственными реальными переменными, кроме лёгкого отклонения спектра, будут амплитуды тензорных флуктуаций с ранней Вселенной.

Это проявится в микроволновом фоновом излучении, а конкретно – в определённых модах поляризации фотонов. Точно измерив эти моды – а этим и пытаются заниматься BICEP2 и Planck – мы сможем узнать больше о космической инфляции.

Поэтому, Жерар, гравитационные волны действительно открывают нам окно в самые ранние этапы развития Вселенной. Только потому, что современные технологии не дают нам прикоснуться к ним, не значит, что мы не должны к этому стремиться, и не должны вкладываться в развитие технологий, которые позволят нам напрямую прощупать ранние этапы жизни Вселенной. В принципе, мы должны суметь достичь этого за одно поколение, если в это будут вложены соответствующие ресурсы.

По поводу другого вопроса: что пробудило мой интерес к астрономии. Со мною случились две вещи, когда я был молодым, и они вас, наверное, удивят. Моя история отличается от большинства историй астрономов и астрофизиков.

Я всегда любил ходить в походы. Для ребёнка, выросшего в Нью-Йорке и окрестностях, возможность прикоснуться к лесам, горам, кострам и тёмному небу для меня была редким, но одновременно и лучшими из всех удовольствий, что я помню с детства. В частности я запомнил один опыт, полученный мною в 11 лет: я просто лежу в поле на спине с другим пареньком моего возраста и его старшим братом.

Тогда я всё ещё мог видеть без очков, и мы могли видеть, наверно, несколько тысяч звёзд. И мы смотрели вверх, разговаривали обо всём и ни о чём, и не сдерживали наше воображение. Было очень красиво и мне казалось, что за каждым увиденным мною фрагментом кроется какая-то история, и мне очень хотелось стать частью этих историй. Странно, что ничто другое — будь то посещение планетария, работа с учителями, чтение книг, просмотр изображений, использование телескопа – не дало мне таких ощущений. Именно тот опыт, когда я лежу на спине и смотрю в тёмное, звёздное небо, подарил мне незабываемое ощущение.

Через несколько лет, когда мне было 13-14 лет, в летнем лагере, я плыл на лодке ночью, и у меня появилось похожее ощущение. Но в то время я уже лучше знал математику.

И мне стало интересно: ведь если путешествовать на лодке в одном направлении достаточно долго, то вернёшься на то же место. А что случится, если достаточно долго лететь в одном направлении в космосе? Вернёшься ли ты в ту же точку?

Когда я смотрел в небо и думал о математической и физической структуре Вселенной, о высших измерениях и о том, как выглядит Вселенная на больших масштабах, я ощущал то же чувство удивления, любопытства и причастности. За неимением лучшего описания, я чувствовал, что об этих вещах мне нужно узнать. Не то, чтобы я увидел что-то определённое, узнал что-то конкретное, или встретил какого-то определённого человека – это была именно та мысль, которая зажгла во мне огонь.

Жизнь водила меня в разных направлениях, но я всегда возвращался к подобным вопросам и чувствам, и – я знаю, что это звучит глупо – я чувствую, что внутри меня есть бесконечный колодец страсти к этой области знаний, который никогда не опустошить. И я обнаружил это именно с помощью описанных мною двух событий.