Борис Штерн - Прорыв за край мира

Картинка поляризации на небе выражается полем черточек, имеющих направление и длину. Такое поле может выглядеть как электрическое — может быть представлено как результат статического распределения зарядов. А может выглядеть как магнитное, наведенное статическим распределением токов. Эти поля четко различаются на языке дифференциальной геометрии. Первый тип поля называется Е-модой, второй В-модой. Любое произвольное поле поляризации можно разложить на Е и В составляющие. Оказывается, что В-моду могут дать только гравитационные волны, но никак не неоднородности плазмы и их акустические колебания. Некоторый вклад в В-моду в области высоких мультиполей (малых угловых масштабов) может дать гравитационное линзирование поляризованного реликтового излучения. Пока на карте поляризации существующих экспериментов видна только Е-мода. Лучшее ограничение на В-моду получено с помощью наземного микроволнового телескопа BICEP (на Южном полюсе): предел на отношение спектров мощности гравитационных волн и скалярных неоднородностей плотности r < 0,78 (на уровне достоверность 95%).

Вторую возможность почувствовать первичные гравитационные волны дает так называемый эффект Сакса — Вольфа. Фотон, проходя через возмущения гравитационного поля, меняет частоту, испытывая красное или синее смещение, — это меняет температуру реликтового излучения. Причем эффект сильнее выражен для крупномасштабных возмущений, так как мелкомасштабные гравитационные волны затухают еще до рекомбинации из-за расширения Вселенной. Впервые идею о том, что первичные гравитационные волны могут давать вклад в температурную анизотропию реликтового излучения выдвинули В. Рубаков, М. Сажин и А. Веряскин в 1982 году. Эффект Сакса — Вольфа должен «приподнимать» спектр мощности температурных неоднородностей на малых мультиполях, слева от главного акустического пика (см. рис. 32.1), и затухать к большим мультиполям. Этого не наблюдается в данных WMAP, из чего следует верхний предел r < 0,13 (на уровне достоверности 95%).

Этот предел уже поставил под сомнение некоторые конкретные модели инфляции. Пока наилучшим образом под него укладывается модель Старобинского, правда не она одна.

Следы гравитационных волн в поляризации реликтового излучения надо найти во что бы то ни стало. Если их изначальный спектр такой же, как и у неоднородностей плотности, т.е. очень близок к плоскому, это будет окончательным подтверждением факта космологической инфляции. Больше таким волнам взяться неоткуда.

Насколько сложно обнаружить следы реликтовых гравитационных волн и насколько это реально в обозримом будущем? Вполне реально, хотя есть серьезные проблемы, связанные с фоном. Некоторые надежды связывают с европейским аппаратом «Планк», аналогичным WMAP, но с лучшим угловым разрешением. Из наземных экспериментов большие надежды подает эксперимент SPTpol, недавно стартовавший на Южном полюсе. Выше уже был упомянут микроволновый телескоп SPT с зеркалом диаметром 10 м. Сейчас на нем установлена специальная камера для измерения поляризации реликтового излучения. Есть еще несколько экспериментов, специально посвященных поиску гравитационных волн по поляризации реликтового излучения. Несколько из планируемых экспериментов будут тоже проводиться на Южном полюсе — это лучшее место для наблюдения реликтового излучения с земной поверхности.

35.2. Микроволновые телескопы SPT (слева) и BICEP (справа, внутри конусообразного экрана), расположенные на Южном полюсе

Из проектов будущих космических экспериментов весьма впечатляет недавно заявленный европейский PRISM (Polarized Radiation Imaging and Spectroscopy Mission). Это будет весьма универсальный инструмент, который, по замыслу, сможет очень хорошо отделять реликтовое излучение от всякого рода фонов, и в том числе извлекать чистую карту его поляризации. Заявленный уровень детектирования реликтовых гравитационных волн r ~ 0,5·10 -3(даже если подтвердятся наихудшие ожидания по поводу фона). Если обещанное будет исполнено, то PRISM откроет гравитационные волны даже если реализовался один из «пессимистических», но очень интересных вариантов инфляции, обсуждаемых ниже в интервью с Алексеем Старобинским и Андреем Линде. Эти варианты предсказывают r ~ 3…4·10 -3.

…Время, в которое писалась эта книга, оказалось очень бурным в самых разных отношениях. История разворачивалась на наших глазах. Вместо того, чтобы переписывать главы, приводя их в соответствие с последними фактами, мы даем постскриптумы. Так лучше передается ощущение творящейся истории.