Ехо от Големия взрив или прах от Млечния път?

Американските астрофизици, които заявиха, че имат свидетелства за съществуването на първичните гравитационни вълни, породени от Големия взрив, сега твърдят, че „не са сигурни“ в своя резултат.

Ако данните им бъдат опровергани от европейски колеги, то въпросът за доказателството за появата на гравитационни вълни в момента на Големия взрив ще бъде отложено за неопределено време.

А руският учен, на когото приписваха Нобелова награда за създаденото от него преди повече от 30 години описание на тези вълни, без потвърждение на своята теория едва ли ще може да претендира за Нобел.

Учените, работещи в антарктическата обсерватория BICEP2, са публикували резултатите от своето изследване, наречено по-рано „сензация“, в научното списание Physical Review Letters. След което възхищението в научните среди значително намаляло – в статията се отбелязва съществуването на бели петна.

А по време на публична лекция в Лондон един от главните физици на BICEP2 – проф. Клем Прайк от университета на Минесота – признал, че обстоятелствата са се изменили и неговата сигурност в това, че потресаващото откритие наистина е било направено, е намаляла.

Но нека разгледаме всичко по реда си.

Защо беше избран Южният полюс?

Изследванията са провеждани с два радиотелескопа, разположени на Южния полюс, на станцията Амундсен-Скот. Разположението тук е целесъобразно по няколко причини.

Първо, нощта тук продължава до половин година. Второ, въздухът на Южния полюс е много по-студен (средно -60 °C) и чист, по-малко влажен, а значи Космосът може да се наблюдава без съществени пречки.

Смущенията и водата в атмосферата не внасят смут в данните, а в случая това било много важно, тъй като гравитационните вълни, за които се оглеждали астрономите, оставят едва забележими следи.

Учените, разбира се, се надявали, че съвременните предели на чувствителност на техниката ще им позволят да ги „уловят“, но шансовете не били много.

Водата поглъща микровълновите сигнали и пречи на наблюденията. Още два фактора – по-ниското налягане (поради височината на разположението) и по-слабите ветрове. Но и разбира се, отсъствието тук на заселени места с хора и тяхната техника, която създава редица „шумове“, играе значителна роля.

Чистото небе над Южния полюс помага на телескопите по-добре да следят нощния небосклон, а на учените – да създават по-точни карти на реликтовото лъчение на Вселената. На снимката – вляво е Телескопът Южен полюс (SPT), а вдясно – BICEP2.
© National Science Foundation

„Южният полюс е най-близкото място до Космоса, а в същото време продължавате да се намирате на Земята – коментира Джон Ковач от Харвард-Смитсъниънския център по астрофизика, който оглавява колаборацията учени, работещи над проекта „Фоново изображение на космическата екстрагалактична поляризация“ (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, BICEP).

Тъй като звездите тук не се скриват зад хоризонта, а остават практически неподвижни за шест месеца, телескопите по-лесно и постоянно събират данни за небосвода.

Инфлационният модел на Вселената

Да се опитаме да обясним какво представляват гравитационните вълни и защо потвърждението за тяхното съществуване е толкова важно за науката и човечеството като цяло.

Както е известно, има няколко модела за еволюцията на Вселената.

Една от основните хипотези на учените смята, че Вселената в първите мигове след Големия взрив се е разширила с невероятно бързи темпове, като се е увеличила от субатомни размери до размерите на футболна топка. Това се е случило преди 13,8 млрд. години.

След 380 000 години се появили гравитационните вълни, които изпускала разтопената нажежена плазма (звезди, планети и галактики тогава още не съществували). След това те продължили да се разпространяват по полученото пространство и се превърнали в лъчение от микровълновия диапазон (сега фонов шум).

Именно тези смущения фиксирали телескопите, които помагат на учените да построят картина на реликтовото лъчение или космическото микровълново фоново лъчение.

Реликтовото (най-древно) лъчение първоначално също съществувало само на теория, но през 1965 г. неговото наличие било доказано експериментално. Оттогава физиците неспирно изучават неговите свойства и разпространение, като съставят „карти“, една от друга по-точни.

Гравитационните вълни и тяхното значение

Защо гравитационните вълни са толкова важни за науката? Става дума за това, че инфлацията (бързото разширение), според представата на физиците, има квантова природа.

Тоест наличието на гравитационни вълни говори за това, че гравитацията, както и всички останали фундаментални взаимодействия (например електромагнитното) имат квантова природа. Съответно това откритие, ако то бъде потвърдено, променя фактически фундаменталните основи на нашите представи за Вселената.

Освен това „отпечатъкът“ на гравитационните вълни ще помогне на учените да надникнат във взаимодействието на тези нива на енергия, които е невъзможно да се възпроизведат в лабораторни условия (колкото и да се стараят учените, температурата на Големия взрив не е в състояние да възпроизведе дори Големият адронен колайдер).

Има и още едно важно обстоятелство – постижението на екипа на Ковач е пряко доказателство, че гравитационните вълни, едно от ключовите понятия в общата теория на относителността на Айнщайн, съществуват.

Гравитационните вълни генерират слаби, но различими завихряния в картината на поляризацията на реликтовото лъчение. Тази графика е получена с помощта на BICEP2; с цветове е показана ориентацията на B-mode по часовниковата (в червено) и срещу часовниковата (в синьо) стрелка.
© BICEP2 Collaboration

„Това е съвсем нова, независима част от космологичните свидетелства, които, подреждайки се напълно, допълват и подкрепят картината на инфлацията – смята физикът теоретик и космолог Алън Гът от Масачузетския технологичен институт, който предложил идеята за разширение на Вселената през 1980 г. Той добавя също, че изследването е достойно за Нобелова награда.

Инфлацията на Вселената на свой ред обяснява едновременно няколко сложни космологични загадки, например защо наблюдаваната Вселена ни изглежда еднородна от единия до другия край.

По-рано учените фактически вече са доказали, че инфлационният модел на Вселената е верен, макар не всички учени да са съгласни с това и да привеждат своите доводи. Сега вече можело да се смята, че са открити убедителни доказателства за това.

Какво са гравитационните вълни?

Космолозите смятали, че периодът на първоначално ултрабързо разширение на Вселената трябва да е оставил своя отпечатък – въпросните гравитационни вълни (своеобразни вълни върху тъканта на пространство-времето). В една посока протича разтягане, а в друга – свиване.

Гравитацията според Айнщайн е изкривяване на пространство-времето близо до масивни обекти. Изкривяването не е задължително да остава редом до обектите, то може да се разпространява по Вселената (подобно на сеизмични вълни по време на земетресение). При това гравитационните вълни могат да се разпространяват дори в абсолютно празно пространство със скоростта на светлината.

Ето как с пример с кърпа (пространство-времето), ябълка (звезда) и топче за пинг-понг (по-малко масивен обект, преминаващ покрай звездата) журналист от New Scientist обяснява какво са гравитационните вълни.

Валери Джеймисън разказва следното: изкривяването на „платното“ на пространство-времето (кърпата) от масивен обект предизвиква появата на гравитация, която на свой ред въздейства на обектите, преминаващи покрай масивното тяло, породило това изкривяване.

Гравитационните вълни са следствие от много бързото разширяване на младата Вселена. С времето, поради продължаващото разширение, те отслабват (гънките на кърпата малко се изглаждат). Но те продължават да влияят на лъчението, разпространяващо се по Вселената, а значи това въздействие може да си фиксира.

Как да уловим слабия сигнал

Както споменахме, за изминалите милиарди години древните „колебания“ значително са отслабнали. Почти е невъзможно е да се уловят със съвременни уреди. Но те са повлияли на фоновото реликтово лъчение, като са го поляризирали.

Тук на сцената излиза едно сложно, но важно понятие – B-mode.

Поляризацията на реликтовото лъчение може да се разложи на две съставки – безвихрова Е-mode и вихрова B-mode. Първата била фиксирана още през 2002 година. Втората, според физиците теоретици, се появява в хода на два процеса – поради въздействието на реликтовото лъчение на гравитационни лещи или поради инфлационното разширение на Вселената.

За гравитационни лещи служат всякакви големи обекти във Вселената (например галактики). Поради гигантската си маса те изкривяват със своята гравитация посоката на разпространение на лъчението. Получилите се в резултат на тези процеси B-mode поляризации били уловени от учените през октомври 2013 година. Тогава им помогнали Телескопът Южен полюс (SPT) и космическият телескоп „Хершел“ (Herschel).

B-mode, която се появила в хода на първоначалното бързо разширение на Вселената, не била уловена. И ето че през март тази година за нейното откритие заяви групата на Джон Ковач. Учените анализирали данните, събрани от телескопа BICEP2, разположен само на няколко метра от SPT.

Откритието изисквало сложни изчисления и невероятна точност на измерванията. Въздействието на гравитационните вълни върху реликтовото лъчение трябвало да се отдели от въздействието на дори най-малките частици галактичен прах.

Детекторът на телескопа BICEP2, открил B-mode в поляризацията на реликтовото лъчение.
© Anthony Turner/JPL

Физиците се опитали да изключат всички възможни други причини.

Първо, изследователите много точно настроили положението на BICEP2, като насочили неговите 512 свръхпроводими детектора на микровълново лъчение към тази част от небето, където според изчисленията всички странични смущения са минимални.

Второ, учените сравнили новите данни с предишните, които били получени в хода на експеримента BICEP1. Тогава те успели да установят, че сигналът, генериран от праха, се различава по спектър.

Трето, изследователите използвали новата, по-точна информация за поляризацията, събрана от масива Кек (Keck Array). Последният бил поставен на Телескопа Южен полюс през 2012 година и ще функционира още две години. И в този случай резултатът бил същият.

„Това, че видяхме еднакъв сигнал на два различни телескопа, ни убеди в правилността на изводите“, казва Ковач.

Мнението на други учени

„Предстои да се прояснят детайлите, но от това, което знам, мога да направя извод, че става въпрос именно за това, което толкова дълго чакахме – казва в Nature Джон Карлстрьом от университета на Чикаго, един от водещите изследователи на SPT. – Това е откритието на гравитационните вълни, породени от инфлацията.“

„За мен новите данни изглеждат много убедителни. Това е като откриването на тъмната енергия или на самото реликтово лъчение – подобно нещо се случва веднъж на няколко десетилетия – приглася му Марк Камьонковски от университета „Джон Хопкинс“, който за първи път изчислил как трябва да изглежда „отпечатъкът“ от гравитационните вълни върху реликтовото лъчение.

Сигурност в резултата

Любопитно е, че интензивността на открития от BICEP2 сигнал много учудила уловилите го изследователи. Тя се оказала два пъти по-висока, отколкото установили предишните експерименти.

Според физиците интензивността на B-mode показва колко бързо се е разширявала Вселената по време на инфлацията, а това означава, че отразява енергийното състояние на Космоса в тези времена.

Последните данни сочат времето, когато Вселената е била само на 10-³⁷ секунди от раждането, а нейната температура е достигала (в енергиен еквивалент) 10¹⁶ гигаелектронволта. Според теорията на Великото обединение тази изключително висока енергия съответства на тази, при която стават неотличими една от друга три от четирите фундаментални взаимодействия – силното, слабото и електромагнитното.

Тъй като инфлацията е протичала във времената на „царуването“ на квантовата физика, то откриването на гравитационните вълни, появили се в тази епоха, се явява първото експериментално потвърждение на квантовата природа на гравитацията (и това е още едно важно за науката постижение).

На тази графика, създадена ппрез 2000 г., е показана историята на еволюцията на Вселената. Инфлацията на Вселената все още се подлага на съмнение.
© NASA/WMAP Science Team

Тоест гравитационните вълни са свидетелство на това, че гравитацията (явление от класическата физика) в основата си се опира на законите на квантовата физика, както и трите други фундаментални взаимодействия.

Научни статии

Изследователската група провела мащабна работа и изпратила няколко статии в научни списания, както и предоставила изчерпателна информация на сайта на проекта.

Сега подобна работа се извършва от групи, събиращи данни с аеростати, от космическия телескоп „Планк“, Телескопа Южен полюс и други наземни обсерватории.

Учените, които правят анализ на информацията, постъпваща от „Планк“, и които планират в края на годината да обобщят резултатите, вероятно ще представят по-обширни данни по поляризацията и B-mode (космическият телескоп може да наблюдава цялото небе), а също по параметрите на инфлацията и нейните движещи сили. Предстои им също да проверят сегашните резултати. Ако сметнат изводите на изследователите за верни, то науките, изучаващи формирането на Вселената, наистина ще встъпят в нова ера.

Мнението на скептиците

Резултатите на екипа на Ковач предстои да се препроверят и потвърдят или опровергаят от много други научни групи. Ето какво казва по този повод Пол Щейнхарт от Принстън:

„Няма съмнение, ако гравитационните вълни бъдат потвърдени, това ще убие цикличния модел и екпиротичния сценарий, които са предложени от мои колеги и от мен. Ние винаги сме се изказвали съвършено ясно по тази тема. Но засега аз само казвам „ако„.

Двете споменати хипотези твърдят, че Вселената се разширява, след това се свива, като по такъв начин постоянно се преражда.

Друг знаменит скептик – Нил Турок, заяви във physicsworld.com, че го вълнува разминаването в новите резултати и данните, които са били получени от работата на космическите апарати „Планк“ и WMAP: „Смятам, че ако данните от „Планк“ се съгласуват с новите, то заедно те представляват убедително доказателство срещу инфлацията!“

„Все пак ми се струва, че остава голяма вероятност поляризираният сигнал на E- и B-mode да не се явява космологичен. Това е много интересен резултат, но аз няма да заема нито една страна, докато не бъдат получени потвърждения в други експерименти – добавя астрофизикът Питър Коулс от университета на Съсекс. – За да смятаме това откритие за пряко доказателство на инфлационната теория, е необходимо категорично да установим, че (сигналът) не се генерира от някой друг процес. Но аз не смятам, че някога ще можем да кажем така.“

Още един учен, който призовава за предпазливост, е Чарлз Лорънс, работещ с данните от „Планк“: „Това е доста вълнуващо откритие, но както и с всяко друго измерване, трябва да бъдем предпазливи.“

Обществено обсъждане на резултатите

На 19 юни 2014 година статия на екипа на Ковач се появи в сп. Physical Review Letters. Всички данни преминали проверката на рецензенти. Но много учени все още се съмняват в интерпретацията на резултатите и продължават да търсят грешки и несъответствия в изходната работа.

Основно критиката се свежда до това, че за подобен ефект може да отговаря галактичният прах. В статията екипът на Ковач прави извод:

„Не можем да изключим напълно, че целият излишен сигнал може да бъде обяснен с ярка емисия на галактичен прах.“ Но и критиците признават, че резултатът изисква нови данни, които да помогнат да се проведе независима проверка от други научни групи.