Рябь во Вселенной подтверждает теорию инфляции

Рябь во Вселенной подтверждает теорию инфляции

Телескоп BICEP2 на Южном полюсе в сумерках

Впервые мельчайшие доли секунды после Большого взрыва Вселенная расширялась в экспоненциальном режиме, и этот начальный период космологи называют «инфляцией» («раздуванием»).

Инфляция вызывалась особым инфлатонным полем, которое при дальнейшем расширении породило сверхплотную раскаленную смесь частиц и излучений. Телескоп BICEP2 на Южном полюсе представил экспериментальное подтверждение этой теории и важнейшее косвенное свидетельство существования гравитационных волн — своего рода ряби в ткани пространствавремени, предсказанной Альбертом Эйнштейном (до сих пор единственным косвенным подтверждением считалась потеря энергии сближающимися пульсарами в тесных двойных системах). Физик и ведущий программ BBC Джим Аль-Халили (Jim Al-Khalili) считает, что каждого такого открытия по отдельности было бы достаточно, чтобы получить Нобелевскую премию (если данные и их интерпретация подтвердятся).

Контрольная «подпись» гравитационных волн

Теория инфляции позволяет объяснить, почему вся наша необъятная Вселенная такая сравнительно однородная и «плоская», как разные ее части могли обменяться сигналами и «согласовать» свои параметры. Информация о ранней эпохе в истории Вселенной кроется в реликтовом излучении, испущенном, когда Вселенной было примерно 380 тыс. лет. Тогда произошла рекомбинация — электроны соединились с ядрами, а фотоны отправились в свободное плавание. Новое исследование как раз и позволило изучить наиболее тонкую структуру этого излучения — картину его поляризации, вызванной неоднородностями (той самой «рябью»), на которых рассеивались реликтовые фотоны.

Мы получим новое знание об инфляционной стадии

Академик Старобинский на Конференции научных работников (ФИАН, 25 марта 2014 года)

Алексей Александрович Старобинский, российский физик-теоретик, автор работ по гравитации и космологии, академик РАН, главный научный сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН, прокомментировал «Науке в фокусе» возможное открытие гравитационных волн. Беседовала Наталия Демина.

ДОКАЗАНО ЛИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО СУЩЕСТВОВАНИЕ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН?

Для этого нужно, как и всегда в науке, независимое подтверждение. Так, открытие бозона Хиггса было сделано на двух независимых установках, и эксперименты дали фактически совпадающие результаты.

Гравитационные волны обнаружены пока лишь одной экспериментальной группой BISEP, и необходимо дождаться публикаций от группы «Планк». Сам по себе результат BISEP выглядит очень красиво, но у «Планка» данных, в принципе, больше. Пока что опубликованы лишь данные «Планка» по анизотропии температуры, данные по поляризации уже год держат закрытыми, их обрабатывают, и, очевидно, столкнулись с какими-то проблемами.

Результат может стать подтверждением моего первого предсказания — статьи 1979 года об инфляционной теории. Естественно, что сейчас СМИ, особенно американские, на первый план выводят тех ученых, которые работают в США. Но у экспериментаторов BISEP в статье соответствующая ссылка на мою публикацию есть, поэтому одно дело, что говорят СМИ, а другое — что ученые честно пишут в своих статьях.

Интрига еще и в том, что существование гравитационных волн следует из всех моделей инфляции. Однако все альтернативные модели, кроме нашей, предсказывают, что гравитационные волны настолько малы, что их нельзя обнаружить. Так что если подтвердится, что гравитационные волны обнаружены, то все альтернативы нашей инфляционной теории можно больше не рассматривать. Более того, сами авторы этих альтернативных концепций неоднократно заявляли, что если гравитационные волны в таком количестве откроют, то они от своих альтернативных концепций откажутся.

С другой стороны, гравитационных волн открыли немножко больше, чем мы ожидали. Мы считали очень естественным предел, установленный группой «Планк» год назад, а сейчас оказалось, что найдено вдвое больше. Теперь нужно уточнять все существующие модели инфляции, и это очень здoрово для развития науки. Если считать, что в эксперименте BISEP действительно всё правильно, то открыта новая эра гравитационно-волновой астрономии и действительно видно, что не просто была инфляционная стадия, мы еще и «прощупываем» некоторые тонкие процессы, происходившие на ней.

ЕСТЬ ЛИ КАКОЙ-ТО ДРУГОЙ НАУЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ, ЧТОБЫ ДАЛЬШЕ ИССЛЕДОВАТЬ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ?

Нужно запускать эксперимент того же типа, каким был эксперимент «Планка». Нужно покрывать всё небо, а для этого земных телескопов недостаточно. Нужно запускать в космос радиотелескопы с большей чувствительностью, чем была у «Планка». И с бoльшим пониманием возможных помех.

ЕСТЬ ЛИ ВЕРОЯТНОСТЬ, ЧТО НИКАКИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН ПОКА НЕ НАЙДЕНО?

В истории космологии неоднократно бывало так, что науку двигали не противоречия между теорией и экспериментом, а противоречия между двумя экспериментами. На первый взгляд данные BISEP очень чисты. Однако это очень тонкий эксперимент, требуется измерять интенсивности спектра электромагнитных волн, соответствующие малым температурам типа 0,1 микрокельвина. Поэтому нужно независимое подтверждение существования гравитационных волн. Одним из возможных объяснений, почему группа «Планка» год назад ничего не нашла, будет то, что в ходе инфляционной стадии возникали некоторые возмущения, из которых потом образовались галактики. оказывается, что зависимость их характерной амплитуды от их размеров не гладкая, на ней есть некие зазубринки. Во время инфляционной стадии происходил быстрый фазовый переход в какой-то другой компоненте, не в том поле, которое мы называем инфлатонным, а в каком-то другом поле, которое с ним связывают.

КТО МОЖЕТ ПОЛУЧИТЬ НОБЕЛЕВСКУЮ ПРЕМИЮ ЗА ЭТО ОТКРЫТИЕ?

Ясно, что надо выделить тех, кто дал теоретическое предсказание, а следующую премию дать экспериментаторам. Среди главных вкладов — моя работа 1979 и 1980 гг. и общая концепция инфляции в работе Алана Гута и потом в работе Андрея Линде. Я был бы рад получить премию именно в такой компании. Однако, безусловно, этот список не исчерпывает всех, кто внес существенный вклад. Нужно еще назвать имя Вячеслава Муханова, с которым я получал премию за модели возникновения скалярных возмущений. И к ним еще нужно добавить Стивена Хокинга.

Фото: STEFFEN RICHTER, HARVARD UNIVERSITY, BICEP2, НАТАЛИЯ ДЕМИНА