14.11.2014

Реликтовое излучение и инфляционная теория

Предлагаем вашему вниманию лекцию Дмитрия Сергеевича Горбунова - физика-теоретика, доктора физико-математических наук, старшего научного сотрудника Отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН. Тема его лекции: "Поляризация реликтового излучения, гравитационные волны и что было до того, как наша Вселенная стала горячей".

Поводом для этой лекции стало важное событие. 17 марта группа ученых под руководством Джона Ковача (John Kovac), работающая в рамках проекта BICEP2 объявила об обнаружении в поляризации реликтового излучения особой характеристики (В-моды), что, по мнению многих физиков, служит важным подтверждением инфляционной модели Вселенной.

Аппаратура, на которой проводятся эти наблюдения, установлена на южном полюсе Земли, на полярной станции Амундсен-Скотт. Именно там лучшие условия для наблюдений: небо почти всегда ясное, мало электромагнитных помех, атмосфера разрежена.

Название BICEP означает Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization. Реликтовое излучение исследуют при помощи особого телескопа-рефрактора, который наблюдает за ограниченным сектором неба, размером приблизительно в десять градусов. Он собирает излучение на частоте около 150 гигагерц и передает его на специальную матрицу из 512 микроскопических антенных детекторов. Для охлаждения всей установки используется жидкий гелий. Работа проекта BICEP была начата в 2006 году. Подробная информация о ней доступна на специальном сайте.

Почему же изучение поляризации реликтового излучения так важно для космологии? И зачем нужна инфляционная модель Вселенной? Она была создана в попытке объяснить ряд вещей, которые оставались непонятными в рамках теории Большого взрыва в варианте "горячей Вселенной". Одна из таких проблем связана с крупномасштабной однородностью Вселенной. Размер наблюдаемой части Вселенной увеличивается со временем, так как до нас доходят фотоны из всё более далеких областей. При этом скорость увеличения этого размера выше, чем скорость увеличения области Вселенной, где события могли быть причинно связанными (в смысле, который вкладывается в это теорией относительности). То есть со временем наблюдателю становятся доступны области, между которыми на ранних этапах эволюции Вселенной причинно следственная связь отсутствовала.

Такие области мы действительно наблюдаем, однако однородность их характеристик заставляет думать, что на самом деле они были связаны и на раннем этапе. Маловероятно, чтобы начальные условия, в которых после Большого взрыва из плазмы стали формироваться ядра легких элементов (дейтерий, гелий-4, литий-7), во всех этих областях были одинаковы. Если условия были разными, то реликтовое излучение, которое возникло в эту эпоху, должно было бы стать анизотропным. Между тем, как показывают наблюдения, оно, напротив, характеризуется высокой однородностью.

Есть еще ряд проблем, которые возникают при использовании наиболее распространенного варианта теории Большого взрыва. Для их объяснения эта теория была модифицирована и возникла инфляционная модель. Согласно этой модели, на очень ранних этапах после Большого взрыва Вселенная расширялась экспоненциально, с очень большой скоростью. Это и есть инфляция, то есть в буквальном переводе с латыни "раздувание" Вселенной. И лишь затем, когда это расширение завершилось, начались стадии эволюции, предусмотренные моделью "горячей" Вселенной: образование барионов, эпоха нуклеосинтеза и так далее.

Сформулировал идею инфляционной модели американский физик Алан Гут (Alan Guth) в 1981 году. Сходную гипотезу выдвигал ранее Алексей Старобинский, один из возможных сценариев инфляционной модели (хаотическая теория инфляции) был описан в 1983 году Алексеем Линде. Следует заметить, что, несмотря на большую объяснительную силу этой теории, инфляционная модель отнюдь не стала общепринятой. У нее есть противники, предлагающие свои варианты ранней эволюции Вселенной. Не хватает экспериментальных подтверждений инфляционной теории. И, возможно, результаты, полученные проектом BICEP2, стали первым таким подтверждением.

Наблюдаемая нами поляризация реликтового излучения - следствие некоторых неоднородностей плазмы, в которой этой излучение образовалось. В поляризации реликтового излучения выделяют две характеристики, Е-моду и В-моду. Последняя, вихревая, составляющая, по предположению физиков, могла возникнуть в момент инфляционного расширения Вселенной из-за действия гравитационных волн.

Тут надо сделать оговорку, что В-поляризация микроволнового реликтового излучения может появиться и гораздо позднее из-за действия "гравитационных линз", когда излучение проходит мимо массивных объектов (звезды, галактики, скопления темной материи), которые своим гравитационным полем искривляют направление электромагнитного излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза.

Однако ученые пролагают, что два эффекта, порождающие В-моды в реликтовом излучении, можно разделить. Гравитационные линзы вызывают крупное возмущение, а след эпохи инфляции представляет собой мелкомасштабные возмущения.

Сейчас физики активно обсуждают полученные результаты и выдвигают модели, которые должны объяснить полученные в эксперименте данные. Между тем, в ближайшем будущем нас ждет новая информация, которая, возможно, еще больше упрочит позиции инфляционной модели. Новые результаты проекта BICEP2 поступят к концу 2014 года, также в течение этого года должны появиться новые данные спутника Planck, одной из главных задач которого также является изучение поляризации реликтового излучения.

Максим Руссо

Источники:

1. polit.ru