Відлуння Великого вибуху почуто. Які висновки?

Лекція, прочитана 9 квітня 2014 р. в рамках семінарів Українського католицького університету "Обрії науки".

Сьогоднішня тема пов’язана з небом, астрономією, астрофізикою та космологією.

Тема моєї доповіді: «Відлуння Великого вибуху почуто! Які висновки?». Частина аудиторії, мабуть, вже здогадується про що піде мова – мова піде про відкриття, яке оголосили менше місяця тому, однак на яке чекали майже 100 років. А саме – про відкриття гравітаційних хвиль.

Гравітаційні хвилі передбачив Альберт Ейнштейн ще у 1916 р. Вони випливають із його Загальної теорії відносності (ЗВТ). Окрім гравітаційних хвиль, ЗВТ дала змогу передбачити ще багато інших явищ, зокрема чорні діри, зміщення світла зір у гравітаційному полі Сонця, гравітаційне лінзування і т д. Усі вони з часом знайшли підтвердження. Непідтвердженим досі залишалось лише існування гравітаційних хвиль.

Слід сказати, що непрямі вказівки на них вже були. Зокрема, у 1993 р. Р. Халс і Дж. Тейлор отримали Нобелівську премію за відкриття нового типу пульсарів, властивості яких (точніше – зміна періоду) були пов’язані з гравітаційними хвилями, які вони випромінювали. Безпосередньо гравітаційні хвилі тоді не зареєстрували, однак досі найправдоподібніше пояснення цієї поведінки лежить саме у площині гравітаційних хвиль.

Тут, однак, є скептики, які можуть запитати: а може це не гравітаційні хвилі? Може, це втрата енергії на щось інше, скажімо, на зоряний вітер? Можливо придумати цілу низку варіантів, які ставлять під сумнів, чи справді Халс і Тейлор відкрили гравітаційні хвилі.

Слід зазначити, що Нобелівську премію вони отримали не за гравітаційні хвилі, а за відкриття нового типу зоряних об’єктів – тісних подвійних систем, обидва компоненти в яких є нейтронними зорями. Це – дуже щільні, компактні об’єкти, а деякі з них розташовані так близько один від одного, що обертаються з періодом всього лиш в кілька годин. Меркурій, для порівняння, обертається довкола Сонця за 88 діб, і це внутрішня планета, а це дві зорі, які обертаються усього за ~7 годин навколо спільного центра маси. Такі об’єкти, звичайно, є дуже потужним джерелом гравітаційних хвиль.

У відкритті, про яке я сьогодні говоритиму, йтиметься про гравітаційні хвилі, однак не ті, які згенеровані певними об’єктами – адже тут завжди є сумнів: якщо ми щось реєструємо непрямо, а за якимсь побічним ефектом, то завжди можна знайти якесь інше пояснення. Сьогодні йтиме мова про реєстрацію – знову ж таки непряму! – гравітаційних хвиль, породжених самим Великим вибухом, і про їхній вплив на реліктове електромагнітне випромінювання, фізичні параметри якого сьогодні є дуже добре вивченими за допомогою цілої армади наземних, стратосферних і космічних телескопів. Річ у тім, що у період, про який я говоритиму – а це найбільш рання епоха в історії Всесвіту, – крім таких хвиль у Всесвіті більше нічого не могло бути: ані галактик, ані зір, ані будь-яких інших об’єктів, які могли б стати джерелом подібного випромінювання. Отже, це підтвердження також непряме, але цього разу набагато надійніше.

Про відкриття цих хвиль оголосили 17 березня на прес-конференції у Гарвардсько-Смітсонівському  центрі астрофізики (CfA) у Кембриджі. Можливість реєстрації реліктових гравітаційних хвиль за їх впливом на поляризацію реліктового електромагнітного випромінювання  передбачив ще 1997 р. Марк Камінковський, фізик-теоретик з Університету Джона Гопкінса.

Відкриття здійснили за допомогою телескопа BICEP2. Абревіатура BICEP розшифровується як «Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization» (дослівно: «фонове зображення космічної позагалактичної поляризації»). У назві йдеться про те, що телескоп досліджує поляризацію космічного мікрохвильового випромінювання (в англомовній літературі воно називається Сosmic microwave background, в україномовній здебільшого реліктове електромагнітне випромінювання). Телескоп знаходиться поблизу Південного полюса на висоті 2 800 м. Паралельно з ним пошуком гравітаційних хвиль за впливом на реліктове випромінювання займався і інший телеском – так званий «Піденнополюсний телескоп» (The South Pole Telescope). Але BICEP 2 виявився першим.

Я вже казав, що відкриття очікували багато років. Тобто фізики, астрофізики і космологи вже тривалий час намагалися створити технологію і методи детектування гравітаційних хвиль. Більшість вчених, зокрема і я, сподівалися вперше почути про таке відкриття на прес-конференції команди іншого експерименту –  космічного телескопа «Планк». У березні минулого року вони опублікували найточнішу мапу неба флюктуацій температури космічного мікрохвильового фону. Наступна обробка цих даних, яка ще триває, має дати відповідь на запитання, чи існують гравітаційні хвилі як відлуння Великого вибуху. Однак ВІСЕР 2 якось непомітно підібрався до цього відкриття першим.

Різноманітні спостереження, проведені за допомогою наземних та космічних телескопів, які працюють у оптичних, рентгенівських, гамма-, мікро,- і радіохвильових ділянках спектра електромагнітного випромінювання, нагромадили величезну кількість даних, за якими можна реконструювати наукову картину розвитку нашого Всесвіту від Великого вибуху і по сьогоднішній день. Теорія Великого вибуху з’явилася приблизно тоді ж, коли й інші розділи сучасної фізики (зокрема, квантова фізика та теорія відносності). У 1929 році Едвін Габбл встановив, що всі галактики віддаляються від нас зі швидкістю, яка пропорційна їхній відстані. Така закономірність вказує на однорідність та ізотропність розширення нашого Всесвіту, тобто на те, що з будь-якої галактики він виглядає абсолютно однаково.

Зображення Великого вибуху як точки, довкола якої відбувається розліт матерії, є радше символом, аніж моделлю того, що відбулося. Насправді Всесвіт розширюється не так, як розлітаються осколки гранати чи газ зорі, що вибухнула. Там завжди є виділена точка -центр, відносно якого все розлітається. А Всесвіт розширюється так, що будь-яка точка чи частинка є центром розлітання. Щоб проілюструвати розширення Всесвіту, краще уявити надувну гумову кульку, нанести на неї цяточки і надувати. Цяточки будуть віддалятися одна від одної згідно з законом, за яким швидкість пропорційна відстані, поміряній вздовж поверхні.  При цьому будь-яка цяточка на поверхні сфери може бути центром розширення: кожній з них «здається», наче вона знаходиться в центрі, а всі інші від неї віддаляються. 

Якщо Всесвіт розширюється, то це означає, що колись відстані між галактиками були набагато меншим, а ще раніше й галактик не могло бути, адже щільність була настільки великою, що речовина не могла існувати у звичному нам сьогодні стані. Очевидно, що ранній Всесвіт був дуже гарячим. Це, зокрема, ще у 1948 році передбачив Георгій Гамов, американський астрофізик українського походження, народжений в Одесі. За Гамовим,  Всесвіт на ранніх етапах мав бути дуже щільним і гарячим.  Наслідком існування дуже гарячої і дуже щільної фази є реліктове електромагнітне випромінювання, про яке я вже згадував. Хоч сучасна його температура є всього лиш 2.7255 градуси Кельвіна (-270 градуси Цельсія) через розширення і охолодження, в дуже ранньому Всесвіті вона була дуже висока.   

Великий вибух стався 13,8 млрд. років тому (вік Всесвіту сьогодні досить надійно встановлений). В історії Всесвіту виокремлюють низку етапів. Про інфляційну – найпершу – стадію я розкажу дещо пізніше. На ранній стадії сформувалися протони, ядра атомів, атоми й космічне мікрохвильове випромінювання. Воно з’явилося тому, що в цю епоху кванти теплового випромінювання до 380 тис. років після Великого вибуху мали таку високу енергію, що усі атоми були повністю іонізованими. До цього моменту Всесвіт, отже, був плазмою із електронів, протонів і ядер легких елементів (гелію, літію, берилію і бору; інші елементи синтезуватися ще не встигли). За рахунок того, що на кожну частинку припадало дуже багато квантів електромагнітного випромінювання, і вони мали дуже високу енергію, усе середовище було повністю іонізоване. Отже, було багато вільних електронів, які розсіювали фотони, роблячи середовище непрозорим для світла.

Як відомо, коли ми спостерігаємо Всесвіт за допомогою світлового випромінювання, яке поширюється з скінченною швидкістю, то чимдалі ми дивимось, тим раніші епохи бачимо. Ми, отже, можемо спостерігати дуже ранні епохи, але не раніше тієї епохи, коли відбувся перехід від повністю іонізованої до нейтральної плазми, яка стала прозорою для світла. Тобто цей вік – 380 тис. років після Великого вибуху – це своєрідна перехідна межа (її ще називають космологічною рекомбінацією), коли електрони рекомбінували на ядра легких атомів і фотони почали вільно поширюватися.

Реліктове випромінювання, мапу якого минулого року створив «Планк», - це горизонт цієї останньої видимості. Воно, відтак, є найвіддаленішим об’єктом, який ми можемо спостерігати в електромагнітному спектрі. Вперше його виявили у 1965 р. Арно Пензіас та Роберт Вільсон, за що отримали Нобелівську премію за 1978 р. На сьогодні його дуже активно вивчають. Була поставлена маса експериментів і ще стільки ж заплановано на майбутнє.

Отже, про що говорить це випромінювання? Ми бачимо довкола себе сферу, з якої приходить це випромінювання. Вона називається «сферою останнього розсіювання». Це –  область, віддалена від нас на дуже велику відстань, де останній раз розсіювалося це електромагнітне випромінювання, яке прийшло з самого народження Всесвіту і яке ми називаємо «реліктовим». Спостерігач, перебуваючи в центрі цієї сфери, бачить це випромінювання однорідним. Це означає, що з будь-якої точки на небі до нього приходить однакова кількість квантів, і їх енергетичний розподіл є однаковим.

Згідно гіпотези, висловленої з кін. 70 – поч. 80-их рр., тим епохам, які я назвав, передувала ще одна. Її було сформульовано, щоб пояснити чимало космологічних проблем, зокрема щоб узгодити картину світу, яку ми спостерігаємо, з розширенням Всесвіту та з тими знаннями, якими ми володіємо про елементарні частинки. Необхідно, отже, було припустити, що на початку існувала короткочасна фаза дуже швидкого розширення Всесвіту, яку назвали інфляцією.

Так-от, якщо в ранньому Всесвіті була така  епоха, то на певних етапах такого дуже швидкого розширення відбувалися квантові флуктуації. Такі квантові флуктуації відбуваються навіть у вакуумі, адже фізики знають, що у фізичному вакуумі народжуються і зникають пари «частинка-античастинка», а коли цей вакуум швидко розширюється, то ці віртуальні пари «частинка-античастинка» можуть ставати реальними частинками. В загальному випадку відбуваються квантові флуктуації метрики простору-часу, чи, по-іншому, квантові флуктуації локальної кривини простору-часу, які внаслідок швидкого розширення стають класичними.  В загальному випадку збурення метрики можна розділити на дві важливі складові, які називають модами: скалярна мода, або збурення густини, і тензорна мода, або гравітаційні хвилі. До чого призводить мода, пов’язана зі збуренням густини? Вона призводить до того, що квантові флуктуації за коротку мить дуже швидкого розширення стають класичними – тобто роздуваються до великих розмірів, а згодом – вже внаслідок розширення Всесвіту, – стають тими неоднорідностями, з яких у майбутньому утворяться галактики, зорі і усі небесні тіла. Тобто уся космічна структура, яку ми спостерігаємо – принаймні на галактичному і вищих рівнях, – є результатом квантових флуктуацій дуже ранньої інфляційної епохи еволюції Всесвіту.

На сфері останнього розсіювання – оскільки вона дуже близька до епохи інфляції – ці неоднорідності призведуть до невеликих флуктуацій температури. Контраст температур між її гарячими і холодними ділянками  надзвичайно мізерний: він ледь перевищує одну тисячну відсотка. Це надзвичайно прецензійні вимірювання. Тим не менше, вони є дуже надійними на сьогоднішній день, адже їх повторили в багатьох експериментах.

З гравітаційними ж хвилями як галактичного походження, так і тими, що народилися під час Великого вибуху – космологічними, досі була цілковита неясність. Тобто теорія передбачала їх існування, але жодного детектування до цього часу не було.

Фізика гравітаційних хвиль – складніша, ніж фізика хвиль електромагнітних. Гравітаційні хвилі не можна пояснити по аналогії з поширенням електричного і магнітного поля в просторі. Їх можна описати радше як «хвилю поширення збурень метрики простору-часу», або тензорну хвилю. Фізично вона виявляється в локальних деформаціях простору у такий спосіб, що  його густина не змінюється. Тобто в одному напрямку елемент об’єму розширюється, а в іншому – стискається, і згодом – навпаки. У такий спосіб хвиля поширюється в просторі. Якщо електромагнітна хвиля – це векторна хвиля, і вона описує поширення вектора (скажімо, електричного поля), то гравітаційна має вже таких 4 характеристики, які можна  скласти в матрицю, або тензор (тому її називають тензорною).

Так от, ці гравітаційні хвилі також залишають свій слід у реліктовому випромінюванні. Яким чином? Коли гравітаційна хвиля проходить крізь площину останнього розсіювання, вона її деформує (стискає – в одному напрямку, а в іншому – розширює). Якщо ця хвиля поширюється перпендикулярно до променя зору, то є області, де вона рухається від нас, і кванти електромагнітного випромінювання зміщуються в червону сторону. В тій же області, де хвиля йде до нас, кванти реліктового випромінювання зміщуються в блакитну сторону. Таким чином, гравітаційні хвилі продукують гарячі і холодні ділянки.

Крім того, є ще один дуже важливий ефект: гравітаційна хвиля може створити додатковий ефект поляризації цього самого електромагнітного випромінювання. Тобто названі мною деформації, зумовлені гравітаційними хвилями, призводять до того, що утворюється дуже мізерний відсоток поляризованого випромінювання. «Поляризоване» означає, що існує переважна площина, в якій коливаються вектори електричного поля різних хвиль. Тобто їх напрямки зорієнтовані не хаотично, а існує переважний напрям, який називають площиною поляризації.

Якщо знову повернутися до «поверхні останнього розсіювання», то окрім тепліших і холодніших областей, пов’язаних зі зміщенням в червону або блакитну сторону спектру, її деформація під впливом гравітаційних хвиль призведе також до зміни поляризації в різних точках небесної сфери. Тобто локальні рухи плазми зумовлюють не лише флуктуації температури, які можна зобразити кольором, але й поляризацію, яку можна зобразити лініями.

Таким чином, гравітаційні хвилі, народжені в момент Великого вибуху, мають два спостережні наслідки. По-перше, вони заповнюють увесь простір так само, як і реліктове електромагнітне випромінювання. Проте, якщо реліктове електромагнітне почало вільно поширюватись (не розсіюватися на вільних електронах) з часу, що відповідає епосі 380 тисяч років після Великого вибуху (космологічна рекомбінація), то реліктові гравітаційні хвилі поширюються вільно з самого початку, з епохи, що відповідає 10-30 – 10-32 секунди від моменту t = 0, який фізики називають Великим вибухом. Тобто їх можна було б детектувати і зараз за допомогою наземних чи космічних детекторів гравітаційних хвиль. Над їх створенням працюють великі колективи вчених і це справа найближчого майбутнього. По-друге, ці реліктові хвилі залишити свій слід  в поляризації та температурі реліктового випромінювання, які вчені навчились дуже точно вимірювати в останні роки.

В порівнянні з іншими механізмами, які зумовлюють поляризацію реліктового випромінювання, гравітаційні хвилі залишають особливий слід. Вони утворюють так звану завиткову просторову структуру поляризації. Тобто такі коливання є й в інших площинах, однак існує невеликий процент переваги коливань в окремих малих ділянках неба в площинах із визначеною орієнтацією. Коли ці напрямки нанести на мапу неба, то побачимо завиткову структуру: не концентричні кола, а завитки (вони можуть бути спрямовані то в одну, то в іншу сторону). Саме таку завиткову структуру вперше було виявлено в експерименті BICEP 2.

Насправді деформації метрики простору-часу, спричинені гравітаційними хвилями, надзвичайно мізерні. Вже багато років, починаючи з 60-их років, учені проводять прямі експерименти, метою яких є реєструвати гравітаційні хвилі, що пов’язані з рухами небесних тіл в нашій Галактиці чи інших галактиках. Поки що такі експерименти є безуспішними, адже точність, з якою потрібно виміряти ці деформації є поки-що недосяжною: ΔL/L~ 10-19. Тому донині прямої реєстрації гравітаційних хвиль немає, однак є надія, що в найближчі десятиліття це таки станеться. 

До чого приводить така деформація простору? Вона приводить до поляризації електромагнітного випромінювання, яке знаходиться в області цієї хвилі. Але тут треба розрізняти два типи поляризації, які можуть бути зумовлені різними фізичними процесами. Поляризацію можна розділити на два типи – на Е-моду і B-моду, - які пов’язані з аналізом поляризації електромагнітного випромінювання в електричному і магнітному полях. Е-мода поляризації електромагнітного випромінювання – тут говоримо про реліктове випромінювання, – може бути зумовлена наявністю ділянок згущень і розріджень. Ці згущення і розрідження супроводжуються рухом частинок, на яких відбувається розсіювання електромагнітного випромінювання. Мова йде про розсіювання на електронах. І згущення, і розрідження призводять до так званої Е-моди. Оскільки напрям поляризації фотонів переважно є перпендикулярним до площини розсіювання, то таким чином поляризуватиметься електромагнітне випромінювання, зумовлене неоднорідностями плазми. Треба сказати, що на сфері останнього розсіювання амплітуда цих неоднорідностей дуже мала, а сам степінь поляризації ще менший. Це – дуже мізерні величини. Проте сьогодні їх точно вимірюють.

Коли ми маємо тензорну моду або гравітаційну хвилю, то довкола згущень і розріджень будемо мати завиткову структуру поляризації: в одному напрямку – для гарячої області, а в іншому напрямку – для холодної. Якщо ми маємо карту мікрохвильового випромінювання, то можемо проаналізувати її на наявність такої завиткової структури. Саме результати такого аналізу даних вимірювань поляризації реліктового випромінювання за допомогою телескопа BICEP 2 і були оголошені 17-го березня цього року. На приведеній мапі неба чітко видно  завиткову структуру реліктового випромінювання. 

Тут є, однак, ще одна складність. Річ в тому, що реліктове випромінювання – це випромінювання заднього фону. Воно поширюється через середовище, в якому є галактики, скупчення галактик і т. д., які також є джерелами гравітаційного поля. Це поле також зумовлює поляризацію. Таким чином, спостерігач, виявивши поляризацію реліктового випромінювання ще не знає, яка її частка зумовлена космологічними гравітаційними хвилями, а яка викликана проходженням через гравітаційні поля інших об’єктів. Однак, як виявилося, ці частки можна досить точно відрізнити одна від одної: якщо аналізувати різні масштаби, то виявиться, що ефект, пов’язаний з проходженням випромінювання поблизу масивних тіл, дає основний вклад на малих кутових масштабах (менших 1 градуса). В той же час ефект, пов’язаний із гравітаційними хвилями, які народилися під час Великого вибуху, виявляється тільки на великих кутових масштабах. В експерименті BICEP 2 зареєстровані обидві складові, однак чітко виділена та із них, яка пов’язана з реліктовивими гравітаційними хвилями.

Отже, можна зробити такі висновки: 1) Експериментальне підтвердження існування реліктових гравітаційних хвиль відбулося. Це – непряме підтвердження, але дуже надійне. Іншого джерела такої завиткової структури поляризації реліктового випромінювання – немає. Тобто, або потрібна цілком нова фізична модель, або погодитися, що гравітаційні хвилі існують; 2) підтверджено інфляційну модель: такі реліктові гравітаційні хвилі могли зародитися лише на стадії інфляції. У масштабах Всесвіту їх пояснює тільки інфляція – механізм, який робить квантове класичним. 3) Статистика відповідає квантовим флуктуаціям простору й часу в ранню епоху. Це – перша експериментальна вказівка на квантову гравітацію. На сьогодні теорія квантової гравітація залишається далекою від завершеного дослідження. Цей експеримент, я думаю, надихне людей, які працюють в цьому напрямку.

Отже, ясна річ, необхідна перевірка результатів BICEP 2. В найближчі роки ми почуємо або підтвердження, або спростування. Але дискусія довкола отриманого результату буде  дуже гострою, адже це впевнена Нобелівська премія. Принаймні так вважають більшість фізиків. І очікується, що вже в цьому році відбудеться новий експеримент BICEP 3. Фонд Говарда Кека, на гроші якого збудовані два найбільші  наземні телескопи Keck 1 та Keck 2, виділив кошти на створення спеціалізованого телескопу для пошуку завиткової структури реліктового  випромінювання. Існує ще ціла низка інших оголошених та неоголошених проектів.

(до публікації підготували Соломія Кривенко та Євген Ланюк)