Книга Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

Гравитационные волны

Среди прогнозов общей теории относительности было и существование гравитационных волн. Точно также, как электромагнитные волны возникают вследствие колебаний заряда, вызывающих колебания другого заряда на некотором расстоянии, гравитационные волны появляются благодаря колебаниям массы, которая вызывает колебания другой массы на некотором расстоянии. Но гравитационный эффект намного слабее электромагнитного.

В течение многих лет делались попытки непосредственно зафиксировать колебания массы, вызванные гравитационными волнами. Самым последним таким проектом стала лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). Она состоит из двух обсерваторий, расположенных на расстоянии 3002 км друг от друга, в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана, что позволяет определять местоположение источника волн методом триангуляции. Основной элемент каждой обсерватории — Г-образная высоковакуумная трубка длиной 5 км с каждой стороны, по которой проходит лазерный пучок, отражаясь от зеркал, установленных на обоих концах трубки. По принципу действия устройство подобно интерферометру Майкельсона: гравитационную волну можно обнаружить благодаря тому, что, проходя между двумя установками, она вызовет небольшое изменение длины одного пучка по сравнению с другим по причине их интерференции. С 2002 года и до сих пор положительных результатов зафиксировано не было. В настоящее время проводится модернизация этих обсерваторий.

Но реликтовое излучение вновь подсказывает нам альтернативный подход к фундаментальному явлению. На момент написания этих строк благодаря реликтовому излучению не только были получены первые значимые доказательства существования гравитационных волн, но и появились наиболее убедительные на сегодняшний день данные в пользу инфляционной модели.

Вспомните, в главе 11, в разделе, посвященном гравитационному линзированию, мы говорили о В-моде поляризации реликтового излучения. В-мода поляризации реликтового излучения не могла появиться вследствие возмущений нормального скалярного инфлятонного поля. Однако ее обнаружение в энергетическом спектре реликтового излучения в диапазоне мультиполей 30 < l < 150 почти наверняка свидетельствует о том, что флуктуации в тензорном гравитационном поле ранней Вселенной существенно увеличились вследствие инфляции.

В своей книге «Бесконечная Вселенная: за гранью Большого взрыва» Пол Стейнхардт и Нил Тьюрок назвали обнаружение В-моды поляризации «шестым краеугольным испытанием инфляционного сценария». В 2001 году Стейнхардт, Тьюрок и двое их соавторов предложили альтернативу инфляционной космологии, названную экпиротическим сценарием, согласно которому Вселенная возникла в результате столкновения бран. Браны — это двухмерные объекты М-теории (см. главу 11). Слово «экпиротический» происходит от греческого ekpyrosis, которое стоики использовали в значении «воспламенение и очищение космоса».

Семнадцатого марта 2014 года открытие статистически значимой В-моды поляризации реликтового излучения наряду с ожидаемым спектром мощности, имеющим пики на уровне l ~ 80, с большой помпой было преподнесено еще одной исследовательской группой, работавшей над проектом BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). Нулевая гипотеза была в силу статистической маловероятности, составляющей по меньшей мере 1/3,5 млн. Данные, показанные на рис. 14.4, согласуются с моделью LCDM с тензорно-скалярным отношением, равным 0,20 ± 0,06. Космологи предостерегают от поспешных выводов, дожидаясь независимого повторения результатов и полного исключения всех других возможных источников этого эффекта. Но если это произойдет, мы станем свидетелями одного из важнейших открытий в истории науки.

Заметьте, что эффект линзирования, обнаруженный ранее другими исследователями, вносит очень незначительный вклад в случае мультиполей низкого порядка.

Рис. 14.4. Результаты эксперимента BICEP2 по исследованию В-моды поляризации в сравнении с предыдущими более низкими пределами, полученными на основании множества различных наблюдений. Кружками обозначены точки измерений при мультиполях I разных порядков с обозначенной величиной погрешности. Пунктирная кривая r = 0,2 — это предсказанное моделью LCDM тензорно-скалярное соотношение, равное 0,2. Сплошная кривая — ожидаемый эффект гравитационного линзирования. Изображение взято из статьи: Ade P. A. R. et al. Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2 // Physical Review Letters, 112, 2014. — №24: 241101

Обнаружение этого вида поляризации реликтового излучения исключает большую часть моделей, которые пытаются решить космологические проблемы плоскости, горизонта и однородности Вселенной, не прибегая к инфляции, включая экпиротический сценарий, как отметил сам Стейнхардт*.

В поисках темной материи

В главе 11 я упомянул феномен гравитационного линзирования, при котором объект с высокой массой, такой как скопление галактик, может вызвать отклонение лучей света от источника таким образом, что образуются его множественные изображения. Благодаря гравитационному линзированию удалось весьма эффективно подтвердить существование темной материи и нанести на карту ее распространенность во Вселенной. Можно ожидать, что в будущем нас ждет намного больше примеров.

Множественные изображения образуются, когда масса линзы очень высока. Это называется сильным линзированием. Если масса несколько меньше, происходит слабое линзирование, при котором не образуются множественные изображения, а просто происходит искажение внешнего вида источника. Он может выглядеть растянутым, увеличенным или и тем и другим сразу. Наряду с тем, что отдельная галактика может иметь вытянутую форму, иногда мы видим, что целый ряд таких вытянутых галактик выстраиваются в линию в каком-либо направлении — это верный признак того, что некая невидимая масса искажает их внешний вид, выступая в роли гравитационной линзы. На основании степени искажения и распределения искаженных галактик в пространстве можно определить массу и распределение этой гравитационнойлинзы. Проделав эту работу, мы получаем явное доказательство существования темной материи.

Однако гравитационное линзирование ничего не говорит нам о том, какова может быть природа частиц темной материи. За предшествующие написанию этих строк 20 лет было проведено или проводится до сих пор около 30 экспериментов, целью которых являются обнаружение и идентификация темной материи. Последние результаты вызывают мучительную надежду, но они пока еще не подтверждены.

В основном используются два метода: прямые поиски, в ходе которых ученые пытаются обнаружить прохождение частиц темной материи через детекторы, и непрямые поиски, во время которых ищут вторичные частицы, возникающие при аннигиляции частиц темной материи. До сих пор оба метода были нацелены в основном на поиски вимп-частиц, а именно нейтралино, существование которых предсказывает теория суперсимметрии. Также проводилось несколько прямых поисков, непосредственно нацеленных на обнаружение аксионов. Однако, поскольку попытки обнаружить суперчастицы на БАК до сих пор оканчиваются провалом, ученые стали больше внимания уделять возможной альтернативе — стерильным нейтрино (как уже упоминалось в главе 13).