Космология прошла долгий путь от умозрительных гипотез до точной науки, и ключевую роль в этом сыграло изучение реликтового излучения. Известный астрофизик Брайан Китинг рассказывает о поисках следов инфляции Вселенной, драматической ошибке проекта BICEP и создании обсерватории Саймонса в чилийской пустыне Атакама. Этот масштабный проект призван найти первичные гравитационные волны и объяснить, что именно послужило первоначальным толчком к Большому взрыву.
🌌 От искусства к науке: открытие реликтового излучения 0:13
По мнению Брайана Китина, обнаружение космического микроволнового фона (CMB) ознаменовало собой важнейший этап — созревание космологии и её превращение из искусства в полноценную науку. Открытие, сделанное в 1965 году, предоставило первые физические доказательства в виде измеримых величин: ватт энергии, мощности микроволнового излучения и спектра абсолютно чёрного тела.
Эти данные послужили неопровержимым аргументом в пользу того, что Вселенная когда-то находилась в гораздо более горячем и плотном состоянии. Тем не менее, Китинг уточняет, что само по себе это открытие не доказывало факт Большого взрыва. Оно лишь зафиксировало условия, существовавшие спустя несколько минут после некоего первоначального события. По его словам, наука до сих пор точно не знает, было ли это схлопыванием ранее существовавшей Вселенной или возникновением сингулярности Большого взрыва.
Зато ученым с высокой точностью известно все, что происходило с момента формирования химических элементов. Появление нейтрального водорода позволило теплу, запертому на ранней горячей стадии, рассеяться и начать свободно распространяться по расширяющемуся пространству. По мере расширения Вселенной световые волны растягивались, их плотность падала, а спектр смещался в красную зону. В результате сегодня мы фиксируем это диффузное низкоэнергетическое излучение в виде микроволн с температурой 2,7 Кельвина. Историческое открытие этого фона произошло в Холмделе, штат Нью-Джерси, в 1964–1965 годах.
🎈 Парадоксы Большого взрыва и теория инфляции 1:59
Развитие науки часто строится на том, что новые наблюдения заставляют искать изъяны в уже устоявшихся моделях. Со временем классическая теория Большого взрыва начала сталкиваться с серьезными вопросами: почему Вселенная обладает столь специфическими свойствами, почему она идеально плоская, однородная и не содержит магнитных монополей?
Эти парадоксы требовали объяснения, которое в итоге предложил физик Алан Гут, разработавший концепцию инфляционной Вселенной. Китинг метафорически называет инфляцию «искрой, которая зажгла Большой взрыв». Хотя воспринимать Большой взрыв как обычный взрыв научно некорректно, исследователь считает такую аналогию весьма полезной для понимания сути процесса.
Физик подчеркивает, что ставки в этих исследованиях невероятно высоки. Вопросы о том, что именно запустило инфляцию и «кто нажал на спусковой крючок», выводят ученых за рамки чистых микроволн и телескопов, переводя дискуссию в область философии, теологии и метафизики. Главным доказательством и «дымящимся пистолетом» инфляционной модели, по словам Китинга, призваны стать так называемые первичные гравитационные волны.
🔭 Драма на Южном полюсе: триумф и фиаско проекта BICEP 3:44
В начале текущего millennium'а интернациональная команда ученых отправилась на поиски этого гравитационного фона, используя небольшой телескоп BICEP на Южном полюсе. Устройство представляло собой рефрактор галилеевского дизайна, что, как признается Китинг, до сих пор вызывает у него искреннюю улыбку.
Эксперимент увенчался успехом: ученые объявили об обнаружении первичного фона B-моды поляризации. Мировое сообщество пришло в восторг, новость попала на первые полосы ведущих газет, а участникам прочили Нобелевские премии. Сам Китинг не скрывает, что в тот момент тоже надеялся оказаться в числе лауреатов.
Однако радость оказалась преждевременной. Физик подчеркивает, что зафиксированный сигнал не был глупой ошибкой — команда не забывала снять крышку с объектива и не держала палец перед линзой. Вместо реликтовых гравитационных волн инфляции приборы измерили излучение межзвездной пыли и микрометеоритов нашей собственной Галактики, которое Китинг иронично называет «космической грязью» (space Schmutz).
Ошибочную интерпретацию результатов пришлось официально отозвать. Китинг вспоминает, что в разгар пресс-конференции в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики в его кабинете раздался звонок от знаменитого математика, шифровальщика и миллиардера-филантропа Джима Саймонса. Тот сразу спросил: «Брайан, что вообще происходит?». Несмотря на сокрушительный удар по амбициям, бурная реакция общества показала, насколько сильно человечество хочет разгадать тайну своего происхождения.
🇨🇱 Обсерватория Саймонса: новый масштаб и борьба с помехами 5:55
Неудача с BICEP открыла новые возможности для работы над ошибками. Прежний телескоп BICEP 2 был чувствителен лишь к одной частоте электромагнитных волн. Чтобы избавиться от систематических погрешностей, вызванных галактической пылью, требовалось измерить широкий спектр частот, зафиксировать показатели выше и ниже среднего уровня реликтового излучения и математически вычесть помехи.
Этот подход лег в основу масштабного проекта под названием Обсерватория Саймонса (Simons Observatory). Китинг вместе со своими коллегами — Марком Девлином, Сюзанной Стэггс, Адрианом Ли и Джеффом Макмахоном — сформировал огромную команду, насчитывающую более 300 специалистов. Научно-техническая база развернулась на самой высокой строительной площадке в мире, расположенной в пустыне Атакама на севере Чили.
В рамках проекта возводятся четыре телескопа, число которых в дальнейшем планируется увеличить до семи за счет подключения европейских и японских коллег. По словам исследователя, это самый глубокий и амбициозный поиск реликтовых гравитационных волн в истории науки. Первые микроволновые данные («первый свет») были получены обсерваторией в 2023 году. Полноценный запуск комплекса запланирован на апрель 2024 года — к 86-летию Джима Саймонса, который лично участвовал в закладке фундамента в 2019 году и обещал вернуться, чтобы увидеть триумф проекта.
🔬 Квантовые флуктуации и природа B-моды 7:14
Объясняя фундаментальную теоретическую связь между инфляцией и гравитационными волнами, Китинг указывает, что инфляционная модель базируется на существовании гипотетического квантового скалярного поля. Как и любое другое квантовое поле, оно подвержено флуктуациям, неопределенностям и волновой ряби.
Эти возмущения разделяют на два основных типа: скалярные и тензорные. Скалярные возмущения послужили первоначальными «семенами», вокруг которых в ранней Вселенной начали скапливаться темная и обычная материя. Это наглядно подтверждается температурными картами, полученными космическим аппаратом Plank, Саут-Польским телескопом и знаменитым экспериментом COBE. Любопытно, что эти масштабные флуктуации экстремально малы и составляют всего одну часть на 100 000 — это означает, что молодая Вселенная была более гладкой, чем поверхность бильярдного шара или идеализированной Земли.
Для регистрации тензорных флуктуаций инженерам пришлось создать уникальные сверхчувствительные сенсоры. Китинг отмечает, что качество детекторов, разрабатываемых его коллегами, улучшается темпами, превосходящими знаменитый закон Мура. Эти датчики работают в условиях экстремально низкого давления и при температурах, практически равных абсолютному нулю.
Основная задача детекторов — зафиксировать специфический скрученный, спиральный паттерн поляризации света, называемый B-модой. Китинг подчеркивает, что такой тип поляризации на космологических масштабах могут породить исключительно гравитационные волны. Причем этот отпечаток должен проявляться в регионах, превышающих размер горизонта на момент формирования реликтового фона. Если бы альтернативные космологические гипотезы были верны, уровень реликтовых гравитационных волн оказался бы ничтожно мал, поэтому обнаружение B-моды станет неопровержимым доказательством правоты инфляционной теории.
