Вчера американские ученые выступили с сообщением, которое вызвало огромный интерес в научном мире: творческому содружеству BICEP2 удалось обнаружить следы гравитационных волн, которые появились в первые мгновения жизни Вселенной. Это не только доказывает так называемую теорию экспоненциальной инфляции, но и подтверждает правильность общей теории относительности.

Согласно существующей теории, как доложили ученые во время своего доклада в Гарвард-Смитсоновском астрофизическом центре, в первые мгновения после так называемого Большого взрыва происходило стремительное расширение (или, по-научному, экспоненциальная инфляция) пространства-времени. При этом возникшие гравитационные волны должны были воздействовать с первичным излучением Большого взрыва. Долгое время такое взаимодействие было только предположением, а значит, и инфляционная теория оставалось только гипотезой. Но вот наконец удалось найти веские доводы – увидеть следы древней катастрофы.

Эхо Большого взрыва

Примерно 14 млрд лет (в земном исчислении) назад произошло событие, от которого отсчитывают существование Вселенной – Большой взрыв. Электромагнитное эхо этого взрыва, так называемое реликтовое излучение, изотропно: если бы мы могли его увидеть, то это было бы почти однородное белое свечение всего неба. Но это нам не удастся – излучение крайне холодное, его температура всего на 3 градуса выше абсолютного нуля. На практике уловить его крайне сложно.

Существование реликтового излучения предсказали Георгий Гамов и Ральф Альфер в 1948 году. Это был обязательный компонент созданной ими теории Большого взрыва. Однако искать это излучение специально никто не собирался. Обнаружено оно было случайно в 1965 году американцами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном, которые работали в лабораториях компании Bell в Нью-Джерси. Повышая чувствительность своего радиотелескопа, они обнаружили, что их антенна имеет избыточную температуру в 3ºК. Это и было реликтовое излучение.

Ключ к пониманию нашей Вселенной спрятан в левой части этого графика – inflation

За открытие реликтового излучения Пензиас и Вильсон получили половину Нобелевской премии по физике за 1978 год. Вторая досталась советскому физику Петру Капице «за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур». Но что интересно: уже в наше время именно физика сверхнизких температур позволяет глубже заглянуть в просторы Вселенной.

По прошествии лет стало ясно, что реликтовое излучение все-таки не совсем изотропно. Есть определенные флуктуации, изменения интенсивности, например, там, где образовывались галактики и их скопления. Ученые предположили, что, поскольку реликтовое излучение является, по сути дела, одной из форм света, оно обладает и всеми свойствами света, в том числе способностью к поляризации. Мы используем это явление, надевая очки-поляроиды, которые гасят блики, – лучи, отразившиеся от воды или предметов. В космосе реликтовое излучение также взаимодействовало с материей и становилось поляризованным.

Эти разные моды

На реликтовое микроволновое излучение могли воздействовать, согласно теории, две субстанции: во-первых, космическая плазма, а во-вторых, эти самые неуловимые гравитационные волны. Плазма – это одно из состояний вещества. Все в самом холодном состоянии может быть твердым, даже легчайший газ, водород. Чем больше энергии вещество приобретает, тем становится горячее – и затем превращается в жидкость. А потом кипит и становится газом. В газ превратиться может даже самый тугоплавкий металл на свете, вольфрам. Ну а если энергии еще больше, то электронные оболочки отрываются от своих ядер; это и есть плазма. Она царит в космосе, и только она существовала в первые мгновения после Большого взрыва.

Вот именно с этой плазмой и взаимодействовали волны реликтового излучения, ускоряя их еще больше, а эти частицы, в свою очередь, сами излучали электромагнитные волны. Происходило взаимодействие, которое ученые описывают как поляризацию градиентного типа, или Е-моду. Его, как выяснилось, можно достаточно легко (ну, с точки зрения астрофизиков) засечь, что и было сделано.

Однако, согласно теориям физиков, на это реликтовое излучение должны были оказать влияние еще и гравитационные волны. Гравитационные волны – это изменение состояния пространства-времени. Например, представим себе, что в космосе летит массивная звезда, вокруг которой сформировалось собственное поле силы тяжести, то есть гравитационное поле. Но если она вдруг исчезнет, взорвется, то сила тяжести в этой части Вселенной изменится, и по космосу со скоростью света начнет распространяться гравитационная волна. Проблема в том, что зафиксировать ее на Земле или в космосе очень сложно – наши приборы будут колебаться вместе с ней, нет точки отсчета. Это все равно что измерять колебания уровня воды, сидя в лодке посередине океана с портновским метром.

К счастью для астрофизиков, во Вселенной наблюдается взаимодействие электромагнитного излучения, то есть света и силы тяжести крупных космических объектов. Еще Альберт Эйнштейн теоретически предсказывал такую возможность, которая получила название гравитационного линзирования. Астрономы и астрофизики увидели в небе такие суперлинзы: свет от удаленных объектов, проходя, например, мимо галактики, искривляется и формирует копии этих самых удаленных объектов. Так было в случае «креста Эйнштейна» – удивительной иллюзии, вызванной прохождением света далекой суперзвезды, квазара, закрываемого от нас более близкой галактикой.

«Крест Эйнштейна», четыре «звезды» вокруг галактики в центре, – оптическая иллюзия, вызванная гигантским гравитационным полем этой галактики. На самом деле квазизвезда всего одна и находится позади галактики

Вот это самое явление гравитационного линзирования также должно было поляризовать реликтовое излучение. Такой вид поляризации называется роторным, или В-модой. Зафиксировать ее крайне сложно, так как амплитуда ее изменения всего около 0,1 микрокельвина. И ученые отправились в Антарктиду.

Темнота – друг ученых

Антарктида для исследователей место уникальное. Оно ближе к космосу: например, лаборатория на Южном полюсе находится на высоте около 2800 метров над уровнем моря. Из-за вращения Земли воздух оттягивается от полюсов, и поэтому толщина атмосферы тут меньше, чем на экваторе. Меньше атмосферы – меньше помех. Воздух здесь не только разреженный, но и крайне сухой. Практически нет осадков. Небо вращается вокруг Южного полюса мира, звезды не заходят за горизонт. На тысячи километров вокруг нет городов с их ночной световой засветкой и радиопомехами. Это идеальное место для астрофизических наблюдений, и именно здесь в 2007 году был построен радиотелескоп стоимостью почти $20 млн и высотой около 23 метров.

Ученые достаточно быстро добились впечатляющих успехов. Им удалось зафиксировать искомую В-моду с очень высоким уровнем достоверности, получить карту обследованного участка неба размером примерно в 10 раз большим, чем полная Луна. И карта эта коррелирует с измерениями Е-моды и картой распространения вещества во Вселенной, составленной ранее.

Это странное изображение восхищает астрофизиков всего мира

Один из руководителей проекта, Клем Прайк из Университета Миннесоты, сказал: «Мы искали иголку в стоге сена, а вместо этого нашли лом». Правда, это не сами гравитационные волны Большого взрыва, но это весомое доказательство их существования. Это доказательство того, что теория экспоненциальной инфляции верна, равно как и фундамент наших представлений о мире – общая теория относительности.

Данное открытие, несомненно, ждет награда – скорее всего, Нобелевская премия. Но изучение реликтового излучения на этом не останавливается. Ведь сделан, по сути, первый шаг. В том состоит и прелесть познания мира, что каждое новое открытие ставит еще более увлекательные задачи.