Космологические гравитационные волны открыты?
М.В.Сажин, О.С.Сажина
Общая теория относительности не только была подтверждена в огромном количестве наблюдений и экспериментов, но уже прочно завоевала право считаться «инженерной дисциплиной» (став, к примеру, основой высокоточной космической навигации). Среди различных предсказаний теории Эйнштейна (релятивистской теории), многие из которых уже удалось проверить, есть и такое: она с необходимостью требует существования гравитационных волн.
Напомним читателю, что такое гравитационные волны. Конечность скорости распространения взаимодействий в релятивистской теории поля делает возможным существование несвязанного с источниками свободных колебаний гравитационного поля. В электромагнитной теории такие свободные колебания — всем известные электромагнитные волны, или фотоны. В релятивистской теории тяготения аналогичные колебания называются гравитационными волнами, или гравитонами. Как и фотоны, гравитоны (согласно теории) — безмассовые частицы, поэтому они могут удаляться от своего источника на бесконечное расстояние. Источником гравитационных волн служит тензор энергии-импульса, другими словами, ускорен© Сажин М.В., Сажина О.С., 2014
Михаил Васильевич Сажин, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Государственного астрономического института им.П.К.Штернберга Московского государственного университета им.М.ВЛомоносова.
Ольга Сергеевна Сажина, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник того же института.
Область научных интересов авторов — космология, теория относительности, астрометрия.
ное движение вещества порождает гравитационные волны. Все гравитационные волны — явления одной природы, они отличаются только частотой.
В начале начал
В марте 2014 г. после обработки данных эксперимента BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, рис.1) было объявлено об обнаружении B-моды поляризации реликтового микроволнового излучения и о возможном открытии космологических гравитационных волн [1]. Существование этих пока гипотетических волн получило первое весомое наблюдательное подтверждение, но еще важнее то, что в этих результатах сокрыта информация о первых мгновениях жизни нашей Вселенной.
Рис.1. Телескоп BICEP2 (США), расположенный в 800 м от географического Южного полюса. Фотография сделана в сумерках, которые на Южном полюсе настают только два раза в год. Вокруг телескопа виден защитный отражающий экран.
Гравитационные волны могут порождаться многими астрономическими источниками: двойными звездами, сталкивающимися нейтронными звездами, черными дырами, а также взрывами во Вселенной. Космологическими называются те гравитационные волны, которые рождаются в процессах, связанных с динамикой и эволюцией нашей Вселенной в целом. Так, если гравитационные волны, порожденные процессами в мире звезд, имеют диапазон частот от нескольких мил-лигерц до нескольких килогерц, то космологические гравитационные волны обладают значительно более широким диапазоном частот, а их основная мощность приходится на длины волн, сравнимые с размерами современной наблюдаемой части нашей Вселенной.
Какие могли быть источники гравитационных волн в ранней Вселенной? Могло происходить рождение гравитонов из вакуума. В этом случае гравитационные волны, существовавшие в те далекие времена в виде вакуумных колебаний, могли быть усилены и потому стать доступными регистрации в настоящее время, когда с момента рождения Вселенной прошло уже почти 14 млрд лет. Спектр таких космологических гравитационных волн должен быть очень широк — от 100 МГц до сверхнизких частот, порядка 10-18 Гц, что соответствует современной величине постоянной Хаббла или длине волны, сравнимой с текущим размером
Вселенной. Гравитационные волны очень слабо взаимодействуют с веществом и поэтому распространяются практически беспрепятственно. Слабость их взаимодействия с веществом — это и дар, и проклятие для ученых. Проклятие, потому что возникают огромные трудности их обнаружения, дар — потому что они позволяют заглянуть в самые ранние эпохи Вселенной, даже за поверхность последнего рассеяния, эту «границу дозволенного» для мощнейших оптических и радиотелескопов, и уловить гравитационно-волновое дыхание рождающейся Вселенной. Напомним, что поверхность последнего рассеяния сформировалась в ранней Вселенной, когда фотоны отделились от первичной плазмы и стали распространяться свободно. Источник этого «реликтового света» представляет собой сферу, в центре которой мы находимся. Поверхность последнего рассеяния — граница видимости для всего диапазона электромагнитных волн.
Современная теория ранней Вселенной — теория космологической инфляции, в основе которой лежит довольно простая идея: когда Вселенной «исполнилось» 10-35 секунд от рождения, она прошла фазу ускоренного расширения. Несмотря на обилие инфляционных моделей, из которых трудно отдать предпочтение какой-либо одной, главное достижение этой теории неоспоримо. Оно заключается в блестящем решении «метафи-
зических» проблем космологии: почему наша Вселенная расширяется, почему она с большой степенью однородна и изотропна, как из начальных возмущений формировалась крупномасштабная структура Вселенной (сверхскопления и скопления галактик, сами галактики, звезды и планетные системы) [2, 3].
Проблема начальных возмущений — вещества и гравитационного поля — была одной из центральных в «классической» космологии. Согласно инфляционной парадигме, возмущения плотности возникают из квантовых флуктуаций поля «ин-флатона» — скалярного поля, порождающего само инфляционное расширение. Природу этого поля и его свойства ученые постепенно выявляют из наблюдений. Именно инфлатон в конечном счете преобразуется в хорошо известные наблюдателям вещество и излучение, и именно его возмущения производят возмущения плотности первичной плазмы.
В рамках инфляционной модели ранней Вселенной удалось не только сделать ряд фундаментальных предсказаний, но и успешно проверить их наблюдательными методами. Так, было показано, что Вселенная с большой степенью точности плоская (т.е. пространство евклидово), изотропная и однородная на больших масштабах. Теория инфляции смогла объяснить, как и почему расширяется Вселенная.
За последние 30 лет выяснилось, что наша Вселенная является приближенно однородной, а возмущения плотности и пространства-времени очень малы. Но эта скромная «рябь» на фоне ос-
новного гладкого пространства-времени предоставляет нам очень важную количественную информацию и дает надежду на изучение инфляционной эры (позволяя с определенностью ответить, произошла ли вообще инфляция в ранней Вселенной).
Анизотропия — разница температур в различных направлениях на небе; на рис. 2 представлены наблюдательные данные по анизотропии реликтового излучения. Она возникает в неоднородном гравитационном поле. При движении в таком поле фотон или теряет энергию, или приобретает ее в зависимости от знака гравитационного потенциала. Для одного фотона такой процесс ведет к изменению частоты, а для ансамбля реликтовых фотонов — к изменению температуры на поверхности последнего рассеяния.
Неоднородное гравитационное поле составляют два типа возмущений: возмущения поля ин-флатона (колебания скалярного поля) и возмущения поля тяготения (колебания тензорного типа). Из-за слабости последних, чтобы разделить вклады этих двух типов возмущений, нужно изучить не только анизотропию, но и поляризацию реликтового излучения. Так, обнаружение В-моды поляризации напрямую укажет на величину амплитуды космологических гравитационных волн. Напомним, что при описании поляризации любого излучения (т.е. наличия преимущественной ориентации вектора, который характеризует интенсивность распространяющегося поля) этот вектор удобно представлять как суперпозицию колебаний в двух перпендикулярных плоскостях
Рис.2. Карта анизотропии реликтового излучения, полученная космическим аппаратом «Планк» в 2013 г. (поверхность последнего рассеяния представлена в проекции Мольвейде, по экватору расположена плоскость нашей Галактики, вклад излучения которой вычтен в результате комбинирования радиокарт на различных частотах). Разница в температуре на небесной сфере от точки к точке составляет всего сотые доли процента, но именно эта разница определяет флуктуации плотности, которые в процессе эволюции Вселенной превращаются в звезды, галактики и группы галактик.
так называемых «электрической» (Е) и «магнитной» (В) мод. Анизотропное реликтовое излучение также обладает поляризацией.
Возмущая метрику пространства-времени, космологические гравитационные волны оставляют свой слабый след в анизотропии реликтового излучения. Можно наблюдать изменение гравитационных волн в пространстве, т.е. их изменение по поверхности последнего рассеяния.
Долгий путь идеи
Кратко обратимся к истории вопроса. Сразу после создания теории инфляции в 1982 г. американским космологом А.Гутом советские ученые В.А.Рубаков, М.В.Сажин и А.В.Веряскин вычислили фон стохастических гравитационных волн, которые должны рождаться в ранней Вселенной. Похожий процесс рассматривал и академик А.А.Старобинский, нашедший характеристики гравитационных волн в своей собственной модели, так называемой протоинфля-ции. Все космологи предлагали обнаруживать эти возмущения посредством наблюдения анизотропии реликтового излучения. Однако к анизотропии реликтового излучения приводят не только космологические гравитационные волны, но и возмущения плотности — как разделить их вклады? В 1984 г. один из авторов статьи (М.В.Сажин) предложил использовать для разделения вклада возмущений плотности и космологических гравитационных волн наблюдения поляризации реликтового излучения и доказал, что так их вклад действительно можно различить (англоязычная версия этой работы была опубликована значительно позже, [4, 5]). На это предложение долго не обращали внимания... Но когда в 1996 г. на международной конференции в Ле Арке (Франция) Сажин представил его на суд исследователей, которые готовили новый проект космической миссии «Планк», удалось их
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.