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

Измерение поляризации космического фонового излучения, вызванной инфляционными волнами Эйнштейна, рассказало бы нам, что происходило в самую первую долю секунды после рождения Вселенной. Это уникальный шанс заглянуть за предел 380 000 лет, в самое начало пространства, времени, материи и энергии. Есть лишь одна проблема: поляризация, связанная с первичными гравитационными волнами, в тысячу раз слабее поляризации вследствие флуктуаций плотности, также ничтожной. Как разделить эти два эффекта?

Здесь мы подходим к разговору о В-моде. Представьте, что американский кондитер дал вам много тысяч одинаковых маленьких пирожных, украшенных взбитыми сливками. Вы подозреваете, что среди них может быть несколько европейских пирожных. Но на обоих континентах используется один и тот же рецепт, и пирожные выглядят одинаковыми. Тут вы узнаете (дальнейшее – исключительно моя выдумка), что европейские пекари, выдавливая сливки из кондитерского мешка, всегда поворачивают его по кругу, а американские держат мешок неподвижно. Поэтому американские украшения совершенно симметричны, а европейские слегка закручиваются спиралью в одну или в другую сторону. Теперь их легко различить, хотя сами пирожные одинаковы во всех прочих отношениях.

Нечто подобное свойственно двум типам поляризации. Если вы построите карту, где показана сила и направление поляризации в каждой точке неба, то увидите определенные паттерны. У поляризации, вызванной флуктуациями плотности, эти паттерны симметричны – не имеют определенной «направленности». Они называются Е-модами. У гораздо более слабой поляризации, вызванной первичными гравитационными волнами, наблюдающиеся паттерны имеют слабую дополнительную закрученность вправо либо влево. Это так называемые В-моды. (Использование этих букв восходит к Максвеллу, который обозначал буквой Е электрические поля, а буквой В – магнитные.)

Имеется еще одно затруднение: слабые В-моды могут также формироваться, когда поляризованное реликтовое излучение проходит вблизи массивного скопления галактик. Эффект гравитационного линзирования скопления, сравнимый с релятивистским отклонением луча света Солнцем, придает симметричным в отсутствие этого воздействия Е-модам завихренность, не имеющую ничего общего с инфляцией Вселенной или первичными гравитационными волнами. К счастью, В-моды, образованные гравитационным линзированием, являются мелкомасштабными, с угловыми размерами менее 1°. Они были впервые обнаружены «Южным полярным телескопом» в 2013 г. Таким образом, если вы хотите подтвердить инфляцию и найти свидетельство существования волн Эйнштейна с момента рождения Вселенной, ищите в небе значительно более крупные В-моды с угловыми размерами по крайней мере 1°.

Теперь вы знаете, почему эксперимент Шаула Ханани с воздушными шарами назвали ЕВЕХ. Его целью было различить Е- и В-моды в поляризации реликтового излучения. Открытие крупномасштабных В-мод предполагало бы существование первичных гравитационных волн, таким образом подтверждая теорию космической инфляции. Относительная «сила» В-мод дала бы некоторую информацию о конкретной причине и времени инфляции.

Миссия ЕВЕХ с базированием на воздушном шаре стартовала 29 декабря 2012 г. и длилась около двух недель. Было собрано много интересных данных, но обнаружить В-моды не удалось. Однако во время моего пребывания в Антарктиде телескоп BICEP2, спрятанный в конический воротник, активно собирал результаты измерения поляризации в большой полосе неба Южного полушария. С каждым месяцем данных скапливалось все больше, и паттерны поляризации реликтового излучения становились все более очевидными. В течение 2013 г. командой BICEP2 постепенно овладевала эйфория – сначала осторожная, постепенно все более обоснованная. Казалось, они наконец нашли неуловимые крупномасштабные паттерны поляризационных В-мод – долгожданное доказательство инфляции и, что более важно для нашего с вами разговора, первый четкий отпечаток гравитационных волн, восходящий к первой доле секунды космической истории.

_________

В среду 12 марта 2014 г. Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики (CfA) в Кембридже (штат Массачусетс) распространил краткое сообщение: в понедельник, 17 марта, в полдень пройдет пресс-конференция, где будет «сообщено о важном открытии», – и больше ничего[72]. Тесная аудитория Филипса в CfA могла вместить ограниченное количество репортеров, но руководители по связям с общественностью Дэвид Агилар и Кристин Пуллиам организовали прямую видеотрансляцию. По данным их IT-команды, серверы Гарварда легко могли поддержать тысячу одновременных просмотров, так что, казалось, все пройдет прекрасно.

Агилар и Пуллиам не учли, что слухи об объявлении, начавшие распространяться в СМИ («Большой взрыв! Инфляция! Гравитационные волны!»), вызвали ажиотаж, и из-за огромного количества запросов сайт рухнул, едва началась пресс-конференция. Возможность удаленного просмотра, хотя и не сразу, удалось восстановить, но пропускная способность канала оставалась недостаточной.