Телескоп южно от пингвините

Един от най-големите телескопи на нашата планета изглежда като зрънце на фона на ослепително белия антарктически пейзаж. Тук слънцето през декември никога не се спуска зад хоризонта, тук е трудно да оцениш разстоянията…

Чинията на телескопа, установен на Южния полюс (South Pole Telescope, или SPTPol), е с диаметър 10 метра. Да идеш пеша от американската антарктическа станция Амундсен-Скот, разположена на няколкостотин метра, е немислимо – за работниците на станцията вятърът и 40-градусовият мраз са нещо обичайно, но моите пръсти веднага замръзваха, щом свалях ръкавиците, за да натисна копчето на фотоапарата. И макар че защитните очила покриваха половината от лицето ми, напиращите от студа сълзи веднага замръзваха.

Бред Бенсън от Чикагския университет (САЩ) е свикнал и със студа, и с безлюдността на тази ледена пустиня, тъй като на станцията има и музикална стая, и бар, дори сауна (вероятно това е най-топлото място в цялата Антарктида).

Бенсън е увлечен в работа – той и колегите му са на прага на откритие, което ще направи преврат в космологията. Преди година на телескопа е монтирана чувствителна видеокамера, благодарение на която има шанс да се разбере каква е била нашата Вселена една трилионна от една трилионна част от секундата след своето раждане. Заради това може да се пожертват някои удобства. „Южният полюс е най-доброто място на нашата планета за провеждане на такива изследвания”, казва Бенсън.

Бейби бум

Новородената Вселена е била невероятно плътна и гореща, пронизвало я е силно лъчение. С разширението и изстиването плътността на лъчението е намалявала, а дължината на неговата вълна се е увеличавала. И сега, почти 14 милиарда години по-късно, от него почти нищо не е останало освен микровълни с много слабо реликтово (фоново) космическо лъчение (Cosmic Microwave Background – CMB).

За учените то служи като най-сигурния източник на сведения за състоянието на Вселената в най-ранните етапи от нейното съществуване и за последвалото й развитие. Реликтовото лъчение е открито през 70-те години, а по-късно се изяснило, че този фон е нееднороден. Това означава, че в първичната материя е имало по-плътни и по-малко плътни участъци. От първите са се образували галактики, от вторите – пространството между тях.

За подробно изучаване на реликтовото лъчение преди шест години е поставен телескоп на Южния полюс. Но тези наблюдения дават подробна картина за състоянието на Вселената 380 години след Големия взрив, а информация за по-ранните етапи на нейното развитие не може да се получи с тях.

Тогава Вселената е била запълнена с „кипяща” плазма, състояща се от заредени елементарни частици; тази протоматерия постоянно изпускала и отново поглъщала фотоните, тоест лъчите светлина не можели да се измъкнат от нея. И когато плазмата е изстинала до температури, които позволяват да възникнат електрически неутрални атоми, излъчването и светлината започнали свободно да се разпространяват. По такъв начин ние имаме картина на Вселената не от момента на нейното раждане, а едва от времето, когато Космосът е станал прозрачен.

Бенсън много съжалява за това, тъй като според теоретиците най-увлекателните събития са протичали именно в тези първи моменти. Според теорията на инфлацията Вселената е започнала бързо да се разширява на „възраст” 10^-36 секунди – в резултат на действията на тайнствената енергия на вакуума с отрицателно налягане. За малка част от секундата нейният размер е нараснал от по-малък от атом до размера на грейпфрут. Провървяло ни е силно, че усиленото разширение на Вселената е спряло на 10^-33 секунди и се е заменило от по-бавно, при което е станало възможно образуването на галактики, звезди и планети.

С хипотезата за началното усилено разширение са съгласни много учени, тя се потвърждава от данните на квантовата физика и до известна степен от информации, получени от космически апарати, такива като Planck Explorer на Европейската космическа агенция и сондата Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (НАСА). Теорията на инфлацията обяснява много необясними по-рано загадки на космологията. Например участъците с голяма плътност в първичната материя – „подутини”, образувани от квантови флуктуации. Възможно е тя да помогне да се обясни и наличието на тайнствената тъмна енергия, от която очевидно в наши дни разширението на Вселената се ускорява.

Пронизвайки тъмата

За съжаление ние знаем много малко за физическата основа на етапа на бързо разширение. Предложени са множество идеи, но учените нямат дори сигурност в това, че такава фаза наистина е съществувала.

А тъй като е било невъзможно да надникнат в този период достатъчно „дълбоко”, нито една от хипотезите не може да намери потвърждение. Напълно е възможно всички те да са грешни.

И ето че се появила надежда скоро да се проясни този въпрос. Не така отдавна в космологията се появила хипотеза, според която внезапното прекратяване на етапа на бързо разширение на Вселената може да е предизвикало „сътресение” на пространство-времето – т.нар. гравитационни вълни, предсказани от общата теория на относителността на Айнщайн.

За разлика от лъчението те може да се промъкват през горещата протоматерия и по тяхната честота и мощност да се съди за състоянието на Вселената в момента на прекратяването на стадия на стремителното й разширение.

Първоначалните гравитационни вълни са много слаби. Например невъзможно е те да се регистрират с двата лазерни интерферометъра, разположени на територията на САЩ (единият в щата Вашингтон, в Ханфордската гравитационна обсерватория, а другият – в щата Луизиана, в гр. Ливингстън).

Тези уреди са разработени за регистриране на „вълни” в пространство-времето, възникващи при сблъсък на черни дупки или неутронни звезди. Но и първоначалните гравитационни вълни може да са оставили следи върху реликтовия микровълнов фон. След откриването им учените може да определят кой от предложените модели по-точно описва стадия на бързо разширение на Вселената.

За това може да помогне новата камера, монтирана наскоро на поляриметъра на телескопа на Южния полюс (SPTpol) – тя е предназначена за измерване на поляризацията на реликтовите микровълни. Както се поляризира отразената от водната повърхност или от шосето слънчева светлина, така и реликтовите вълни се поляризират от сблъсъците с електроните, преминавайки през Вселената.

Според теориите гравитационните вълни трябва да изменят „поляризираната картина” на реликтовото лъчение, тъй като, прониквайки през пространство-времето, гравитационните вълни изместват електроните, оставяйки по такъв начин своите „следи” в реликтовото лъчение.

Да се забележат подобни изменения, е също толкова трудно, както да се чуят звуци от игра на крикет по време на концерт на рок група. Слабият поляризационен сигнал от първоначалните гравитационни вълни е маскиран от доста по-силния „шум”, предизвикан от флуктуацията на плътността на протоматерията на ранните етапи от развитието на Вселената.

Този пречещ да се разпознаят първичните гравитационни вълни сигнал е регистриран за първи път през 2002 година от телескоп, също разположен на Южния полюс, с името Degree Angular Scale Interferometer.

Според Бенсън никой не знае колко сложно ще бъде откриването на поляризационната картина – следите от първичните гравитационни вълни. „Това е много слаб сигнал”, твърди Джон Карлстрьом, главен научен сътрудник от обсерваторията South Pole Telescope. Засега учените са успели да оценят най-висшето възможно проявление на ефекта. През 2006 и 2007 г. това е направено с помощта на още един инструмент на Южния полюс (the Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP) experiment).

Много високо и много сухо

Как се получава така, че толкова телескопи са установени на най-далечната и негодна за живот територия на нашата планета? За да се наблюдава космическото микровълново лъчение, уредът трябва да се постави колкото се може по-високо и на място, където влажността е минимална (присъстващата в атмосферата влага поглъща микровълните по същия начин, както и водата в чаша, поставена в микровълнова фурна).

Затова е невъзможно реликтовото лъчение да се регистрира от уреди, поставени на морското равнище – там атмосферата над телескопите е прекалено наситена с влага и слоят въздух е прекалено дебел. Дори ако се постави телескоп на най-високата планина, влажността там ще бъде повече от необходимата.

Южният полюс се намира на височина 2830 метра над морското равнище и въздухът там е много сух. Понякога там е много трудно да се диша и устните стават сухи като пергамент.

Това обаче не е толкова важно – природните условия тук не са стопроцентово уникални. Уреди, регистриращи анизотропията на микровълновото фоново лъчение (Array for Microwave Background Anisotropy, AMiBA), има и на височина 3400 метра в Мауна Лоа на Хаваите. Едно много подходящо място за такива телескопи е и пустинята Атакама в Чили.

От 2012 година експеримент „Бяла мечка” по изучаване на поляризацията на реликтовото лъчение се провежда в планината Сиера Тако, на височина 5200 м. Тази година се планира в него да се задейства и камерата CTPol, която се намира на разположения в съседство Atacama Cosmology Telescope. Това ще осигури максималната до днес чувствителност на измерването на поляризацията на реликтовото лъчение, казва Майкъл Нимак от Корнуелския университет, който участва в разработката на датчиците за телескопите в Атакама и на Южния полюс.

Според Нимак двата екипа учени отчаяно се борят за приоритет в откриването на това явление, но запазвайки доброжелателни отношения. Очаква се появата на поляриметри ново поколение.

Ако търсите слаби поляризационни следи от бързата фаза на разширение на Вселената, за вас са важни чувствителността на уредите, ъгловата разрешителна способност, диапазонът на регистрираните честоти и величината на наблюдавания участък от небето. „Ние не знаем стойността на този сигнал, ние сме първооткриватели в това”, казва Дейвид Спергъл от Принстънския университет.

Тъй като очакваното научно откритие е толкова важно, за приоритет се борят много научни екипи. Например космическият апарат Planсk, изстрелян през 2009 година, с невиждана досега чувствителност сканира реликтовото лъчение. Най-подробните му карти по всички азимути на небето са публикувани през март от учените, участващи в експеримента.

Продължава анализът на резултатите от измерванията на поляриметрите на този спътник. „След година ние планираме да публикуваме първите поляриметрични данни”, казва Ян Таубър, един от участниците в проекта от Европейския център за космически изследвания и технологии в Нордвейк (Нидерландия). Той се надява, че участниците в експеримента Planсk първи ще открият поляризационния ефект от гравитационните вълни от фазата на стремителното разширение на Вселената.

Датчиците на този космически апарат не са толкова чувствителни, както някои наземни. Те не могат да открият слаби поляризационни картини. С други думи, шансове да бъдат пионери в дадената област имат и другите учени. А съперничещите си колективи са много. Едни работят високо в планините. Други наскоро направили полет на голяма височина над Антарктида, Австралия и Мексико с въздушни балони. През 2009 г. на неголям телескоп на Южния полюс е поставен уредът BICEP-2, а през януари тази година завършил 25-дневен полет над Антарктида датчикът EBEX.

Планирани са и нови изследвания. „Едва ли в близките години ще можем да постигнем големи успехи”, казва Спергъл. Според него този, който може да потвърди съществуването на фазата на бързото разширение на Вселената по поляризацията на реликтовото лъчение, ще получи Нобелова награда за физика.

А може би необходимите резултати от измерванията (без значение от кой уред или спътник) вече са получени, но още не са анализирани. „Надяваме се да публикуваме предварителните резултати до края на годината – казва Джейми Бок от експеримента BICEP-2, – но още не сме анализирали данните от по-чувствителните измервания за последните три години. Те трябва да се калибрират, да се разбере точно как уредът обработва сигналите и шумовете, да се отстранят системните грешки.”

„Това не е лесно, необходимо е да се предвиди всичко”, казва Бок. Според него чувствителността на BICEP-2 е достигнала ниво, позволяващо да се надяваме на резултати. Още не е ясно открили ли са учените поне някакви признаци за съществуването на фаза на бързо разширение. „Засега нищо не мога да кажа, а и да можех, не бих казал”, предпазлив е Бок.

Остава широко поле за изследване. „Не са ни известни нивата, при които първоначалните гравитационни вълни поляризират реликтовото лъчение – казва Шол Ханани, ръководител на експеримента EBEX. – Затова е трудно да се каже кой първи ще открие сигнала. Възможно е това откритие да се случи в близките две години.” Единият от двигателите на ЕВЕХ отказал, а той ориентира 1,5-метровия телескоп в полет. Как ще се отрази това на крайния резултат на експеримента, още не е ясно.

Но учените, като Бенсън, са готови за месеци да изоставят уютните си домове и да живеят в спартанските условия на Южния полюс, а това означава, че за тях наистина е много важно да намерят доказателства за стадия на бързо разширение на Вселената. А успехът не е гарантиран.

Ако първоначалните гравитационни вълни не са били достатъчно мощни, следи от тяхното съществуване може никога да не бъдат открити на поляризационните картини, казва Карлстрьом.

Това няма да означава, че такава фаза не е имало. За доказателства на нейното несъществуване не може да се смятат измерванията на нивото на поляризацията.

Учените не се отчайват. Ако при определени нива на вълните не може да се открие нищо, може би в крайна сметка рязко ще се намали броят на всевъзможните модели за бързото разширение. А това, според Спергъл, вече ще е немалък прогрес.

Говърт Шилинг, сп. New Scientist