Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

Одно из самых впечатляющих сооружений в «Темном секторе» – лаборатория IceCube. Еще более впечатляющим является сам научный эксперимент, который идет в ней незримо для глаз. IceCube – крупнейшая в мире нейтринная обсерватория, но увидеть ее невозможно. Она состоит из более чем 5000 сверхчувствительных детекторов света, вмороженных в кубический километр подповерхностного антарктического льда. В здании лаборатории находятся только мощные компьютерные системы. Фотодетекторы IceCube регистрируют чрезвычайно редкие вспышки света в темной прозрачной массе льда, вызванные прохождением нейтрино из космоса. (Я упоминал о нейтрино в главе 5. Это неуловимые субатомные частицы, во множестве возникшие во время Большого взрыва. Они играют важную роль во взрывах сверхновых.)

Недалеко от лаборатории IceCube находится не менее потрясающая обсерватория им. Мартина А. Померанца, названная в честь родоначальника антарктической астрономии, умершего в 2008 г. В одном конце вытянутого двухэтажного здания помещается 10-метровая тарелка «Южного полярного телескопа»[61], в другом – конусообразный кожух, внутри которого находится инструмент BICEP2 – «Картина поляризации фонового внегалактического излучения» (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, BICEP)[62]. Оба эксперимента посвящены реликтовому излучению – слабым космическим радиоволнам, возникшим через 380 000 лет после Большого взрыва. Кожух защищает чувствительный телескоп от паразитарного излучения, вызванного деятельностью человека.

BICEP2 с 26-сантиметровыми линзами меньше иных любительских телескопов, но его фокальная плоскость охлаждена до температуры лишь на четверть градуса выше абсолютного нуля и состоит из 512 невероятно чувствительных сверхпроводящих сенсоров, способных зарегистрировать каждый фотон реликтового излучения. Как и эксперимент EBEX Шаула Ханани, BICEP2 исследует поляризацию реликтового излучения. (По крайней мере исследовал в декабре 2012 г. Затем он был заменен еще более мощным инструментом.)

_________

Реликтовое излучение случайно открыли в 1964 г. американские радиоинженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон. Это самый старый «свет» во Вселенной. Астрономы не могут заглянуть в прошлое дальше эпохи реликтового излучения, поскольку первые 380 000 лет существования Вселенная была слишком горячей, плотной и непрозрачной, чтобы электромагнитные волны могли свободно распространяться в пространстве. Это предел, ближе которого мы не можем подобраться к Большому взрыву.

Как я рассказывал в главе 9, первоначальная ослепительная вспышка высокоэнергетического излучения к настоящему времени поблекла и остыла до почти не воспринимаемого свиста в миллиметровом диапазоне, соответствующего температуре всего на 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Чтобы понять происхождение Вселенной, нужно тщательно изучать «холодное эхо», как бы это ни было сложно.

Сложно не только потому, что реликтовое излучение очень слабо, но и из-за поглощения приходящего из космоса микроволнового излучения молекулами воды в атмосфере Земли. (Насыщенная водой пища быстро нагревается в микроволновке именно потому, что молекулы воды практически полностью поглощают энергию микроволнового излучения.) Поэтому до сих пор самым подходящим местом для наблюдения фонового космического излучения является космос. Лучшие карты реликтового излучения с полным покрытием неба составлены тремя последовательными космическими миссиями.

Первой – и, возможно, самой новаторской – стала COBE (Cosmic Background Explorer)[63]. Эта миссия выросла из ранней работы Рэя Вайсса в MIT. Запущенный в ноябре 1989 г., спутник COBE впервые обнаружил малые различия температуры реликтового излучения на уровне десятитысячной доли градуса. Крохотные «горячие» и «холодные» точки соответствуют областям чуть более высокой и чуть более низкой плотности в очень молодой Вселенной, из которых впоследствии образовались зародыши будущих галактик и их скоплений. Не будь этих первичных флуктуаций плотности, современная Вселенная была бы темным однообразным океаном водорода и гелия плотностью порядка одного атомного ядра на кубический метр. Не было бы галактик, тем более звезд, планет или людей. Мы обязаны своим существованием этим слабым возмущениям. Главные исследователи проекта COBE Джон Мэтер и Джордж Смут получили Нобелевскую премию по физике за 2006 г. за эти революционные открытия.

Намного более подробные карты реликтового излучения впоследствии составили спутник НАСА WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – «Зонд для изучения анизотропии реликтового излучения им. Уилкинсона»)[64], запущенный в июне 2001 г., и миссия ЕКА Planck, названная в честь прославленного немецкого физика Макса Планка. Спутник Planck стартовал в мае 2009 г. и поставлял данные до октября 2013 г. Обе миссии принесли очень много информации о ранней Вселенной. В определенном смысле они превратили космологию в точную науку.