Астрономы, судя по всему, наконец-то зафиксировали слабые свидетельства Большого взрыва и последующего быстрого расширения Вселенной. Открытие подтверждает одни космологические модели и отвергает другие, а также, в случае подтверждения, может претендовать на Нобелевскую премию. Вчера в научном журнале вышла рецензированная статья физиков. Но обо всё по порядку.
Почему был выбран Южный полюс?
Исследование проводилось при помощи двух радиотелескопов, расположенных на Южном полюсе Земли, на станции Амундсена-Скотта. Такое расположение диктуется сразу несколькими причинами. Во-первых, ночь здесь длится по полгода. Во-вторых, воздух Южного полюса гораздо холоднее (в среднем -60 °C) и чище, менее влажный, а значит, наблюдать за космосом гораздо проще. Возмущения и вода в атмосфере не вносят в собираемые данные сумятицу, а в нынешнем случае это было очень важно, так как гравитационные волны, за которыми собственно и охотились астрономы, оставляют еле заметные следы. Учёные, конечно, надеялись, что современные пределы чувствительности техники позволят “поймать” их, но шансов было не много.
Вода поглощает микроволновые сигналы, мешая наблюдениям. Ещё два важных фактора − более низкое давление (за счёт высоты расположения) и слабые ветра. Ну и, конечно же, отсутствие здесь поселений людей и их техники, которая создаёт массу “шумов”, играет немаловажную роль.
Чистые небеса полюса Земли помогают телескопам лучше следить за ночным небосклоном, а учёным создавать более точные карты реликтового излучения Вселенной. На снимке слева — SPT, а справа — BICEP2 (фото National Science Foundation).
“Южный полюс — самое близкое место к космосу. При этом вы по-прежнему находитесь на Земле”, — комментирует Джон Ковач (John Kovac) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, возглавлявший коллаборацию учёных, работающих над проектом “Фоновое изображение космической экстрагалактической поляризации” (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, сокращённо BICEP).
Так как звёзды здесь не поднимаются из-за горизонта, а остаются практически неподвижными на протяжении всех шести месяцев, телескопам проще постоянно собирать данные о небосводе.
Попробуем разобраться, что же собой представляют гравитационные волны и почему подтверждение их существования так важно для науки и человечества в целом.
Как известно, существует несколько моделей эволюции Вселенной.
Одна из основных гипотез учёных предполагает, что Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва расширялась невероятно быстрыми темпами. За десятки триллионных триллионных триллионных долей секунды объём Вселенной увеличился с субатомных размеров (то есть меньше атома) до размеров футбольного мяча. Произошло это 13,8 миллиарда лет назад.
Спустя 380 тысяч лет появились гравитационные волны, которые испускала раскалённая добела плазма (звёзд, планет и галактик тогда ещё не существовало). В дальнейшем они продолжали распространяться по получившемуся пространству и превратились в излучение микроволнового диапазона (ныне фоновый шум). Именно эти возмущения и зафиксировали телескопы, которые помогают учёным строить картину реликтового излучения или космического микроволнового фонового излучения.
Реликтовое (древнейшее) излучение поначалу также существовало только в теории, однако в 1965 году его наличие было доказано экспериментально. С тех пор физики неустанно изучают его свойства и распространение, составляя “карты”, одна точнее другой.
Гравитационные волны и их значение
Почему же гравитационные волны так важны для науки? Дело в том, что инфляция Вселенной (в данном случае подразумевается, конечно, не экономический термин, а понятие быстрого расширения), согласно представлениям физиков, имеет квантовую природу.
То есть наличие гравитационных волн говорит о том, что гравитация, как и все остальные фундаментальные взаимодействия (например, электромагнитное), имеет квантовую природу. Соответственно, данное открытие, если оно будет в дальнейшем подтверждено, меняет фактически фундаментальные основы наших представлений о Вселенной.
Кроме того, “отпечаток” гравитационных волн поможет учёным заглянуть во взаимодействия на тех уровнях энергии, которые невозможно воспроизвести в лабораторных условиях (как учёные ни стараются, температуру Большого взрыва не в состоянии воспроизвести даже Большой адронный коллайдер).
Есть и ещё одно важное обстоятельство: достижение команды Ковача – это прямое доказательство того, что гравитационные волны, одно из ключевых понятий Общей теории относительности Эйнштейна, существуют.
“Это совершенно новый, независимый кусок космологических свидетельств, который полностью встраивается, дополняет и скрепляет картину инфляции”, — считает физик-теоретик и космолог Алан Гут из MIT, который предложил идею расширения Вселенной в 1980 году. Он также добавляет, что исследование достойно Нобелевской премии.
Инфляция Вселенной в свою очередь объясняет сразу несколько сложных космологических загадок, например, почему наблюдаемая Вселенная кажется нам однородной от одного конца до другого.
Ранее учёные фактически уже доказали, что инфляционная модель Вселенной верна, хотя, конечно же, не все учёные с этим согласны и приводят свои доводы. Теперь же, можно считать, что найдены убедительные тому доказательства.
Что же такое гравитационные волны?
Космологи предполагали, что период первоначального ультрабыстрого расширения Вселенной должен был оставить свой отпечаток — те самые гравитационные волны (своеобразная рябь на полотне пространства-времени). В одном направлении происходит растягивание, а в другом − сжатие.
Гравитация по Эйнштейну – это искривление пространства-времени вблизи массивных объектов. Искривление при этом не обязательно остаётся рядом с объектом, оно может распространяться по Вселенной (подобно сейсмическим волнам во время землетрясения). При этом гравитационные волны могут распространяться даже по абсолютно пустому пространству со скоростью света.
Вот как на примере полотенца (пространство-время), яблока (звезда) и мячика для пинг-понга (менее массивный объект, проходящий мимо звезды) корреспондент New Scientist довольно доходчиво объясняет, что же такое гравитационные волны.
