Физики до сих пор не понимают, что произошло в мгновение после Большого взрыва, пишет в своей статье на Popular Science Чарли Вуд:
Все началось со взрыва. За невообразимо короткую долю секунды Вселенная увеличилась в размерах с невообразимой быстротой. В мгновение ока ямочки несовершенства превратились в космические шрамы и заперли в себе вселенную, которую мы ощущаем сегодня — среду, наполненную галактиками, звездами, планетами и людьми.
Косвенные доказательства этой истории происхождения, известной как инфляция, ошеломляют. Она вдохновила целое поколение космологов на написание статей, проведение занятий и публикацию учебников о различных вариантах развития инфляции. И все же дымящийся пистолет остается неуловимым: Древние пульсации в пространстве-времени должны были оставить особый отпечаток на небе, но поиски неоднократно заканчивались неудачей.
Группа астрономов, известная как коллаборация BICEP/Keck, ведет охоту за этими «первобытными гравитационными волнами». В 2021 году исследователи опубликовали свои последние результаты, ставшие кульминацией многолетнего кропотливого труда в одном из самых суровых мест на Земле. И снова они не нашли никаких следов своей добычи. Если раздувающаяся Вселенная отражала гравитационные волны — как большинство космологов все еще ожидают, — то она должна была делать это довольно тонким способом.
«Самые простые варианты мы сейчас исключаем» — говорит Клем Прайк, астрофизик из Университета Миннесоты и член коллаборации BICEP/Keck. «[Этот результат] уничтожает ранее очень популярные теории инфляции».
Первое мгновение
Самый старый свет во Вселенной струится через пространство уже более 13 миллиардов лет, с тех пор как космос остыл настолько, что стал прозрачным. Астрономы составили точную карту этого «Космического микроволнового фона (CMB)» и использовали его, чтобы узнать, что Вселенная была и остается в целом поразительно однородной. CMB показывает, что когда Вселенной было всего 380 000 лет, плотность материи в ней была практически одинаковой. И сегодня астрономы видят галактики во всех направлениях.
Но МДБ немного неравномерен, причем неравномерен особым образом. Плотные и тонкие пятна бывают разных размеров, от очень маленьких до очень больших. Сегодня мы видим похожую картину — от одиночных галактик до гигантских мегаскоплений из них.
Как Вселенная стала такой? Инфляция отматывает время назад еще дальше, пытаясь объяснить, как в первые 0,00000000000000000000000000000000000000000000001 секунды в космосе образовались частицы всех размеров. В этот период молодая Вселенная кипела энергией, и квантовая теория правила в ней. В квантовой сфере ничто не держится абсолютно устойчиво. Субатомные колебания постоянно вносили крошечные изъяны в раздувающуюся Вселенную, изменяя плотность веществ, которые со временем стали светом, материей, темной материей и многим другим. Растущая Вселенная постоянно растягивала эти дефекты, даже когда появлялись новые, более мелкие флуктуации, в результате чего возникали всплески всех размеров. В конце концов, CMB зафиксировал конечный продукт. «Инфляция естественным образом приводит к образованию частиц именно такого типа», — говорит Прайк.
Недостающий фрагмент
Так гласит история. Инфляция стала ведущей теорией рождения космоса, потому что она объясняет именно то, что видят астрономы, изучая крупномасштабные модели, образованные материей, темной материей и многим другим.
Но одна закономерность ускользнула от их внимания. Сама ткань пространства-времени не может оставаться совершенно неподвижной на квантовом уровне, и инфляция должна была растянуть эти первоначальные толчки в соответствующие волны, как это произошло с материей и всем остальным. Эти первобытные гравитационные волны должны были оставить слабые отпечатки в МДБ — специфические завихрения в свете, известные как «поляризация B-моды». Сегодня у астрономов есть возможность непосредственно обнаружить эти завихрения, если узор достаточно заметен, но пока их не обнаружено.
Удручает то, что Вселенная изобилует материалами, которые светятся таким же вихревым образом. Например, команда BICEP триумфально объявила об открытии первобытных гравитационных волн в 2014 году, но позже узнала, что они уловили тусклое тепловое свечение пылевых зерен, движущихся вдоль магнитных полей, заполняющих пространство между звездами в Млечном Пути.
Самый низкий потолок
Сотрудничество BICEP/Keck потратило годы на совершенствование своих методов и строительство серии телескопов на южном полюсе, где хрустящий и засушливый воздух обеспечивает кристально чистый вид на космос. Их новейшие результаты объединяют данные последних трех поколений антарктических телескопов с другими экспериментами.
За более чем десять лет они увеличили количество датчиков с десятков до тысяч. И что очень важно, они расширили набор «цветов», в которых они наблюдают, с одной длины волны до трех. Любые завихрения B-моды в CMB, который заполняет всю Вселенную, должны проявляться равномерно во всех длинах волн. Однако поляризация, которая сильнее проявляется на разных длинах волн, может быть вызвана местной пылью.
Ключевой показатель того, насколько сильно инфляция потрясла Вселенную, называется «отношение тензора к скаляру», или r, как говорят специалисты в этой области. Это единственное число описывает, насколько сильно колеблется пространство-время по сравнению с другими флуктуациями. Если r равно нулю, то это означает, что инфляция вообще не меняла ткань космоса, а значит, в учебниках по космологии, возможно, нужно вырвать первую главу.
Наблюдения BICEP/Keck последовательно снижали потолок для первобытных гравитационных волн, показав, что r должно быть меньше 0,09 в 2016 году и меньше 0,07 в 2018 году. С последними результатами, опубликованными в журнале Physical Review Letters, коллаборация с 95-процентной уверенностью утверждает, что r должно быть меньше 0,036 — значение, которое делает невозможным один из широко изученных классов инфляционных моделей.
Сокращение пределов для гравитационных волн заставляет теоретиков опускаться все ниже и ниже, но множество риффов на общую тему инфляции все еще удобно располагаются под новой крышей BICEP/Keck. Однако ситуация становится все более уютной, и если предел упадет ниже 0,01, многие исследователи инфляции начнут нервничать.
«Довольно трудно получить значение меньше этого в любой базовой модели инфляции», — отметил теоретик Марк Камионковски из Университета Джона Хопкинса в интервью Physics Today в 2019 году.
Как низко могут опуститься космологи
Почти сто членов коллаборации BICEP/Keck планируют достичь такого уровня точности в течение нескольких лет. В настоящее время они строят новый массив из четырех телескопов, который должен позволить измерять r в три раза точнее. К концу десятилетия мега-коллаборация между BICEP/Keck и другими группами специалистов по CMB, известная как CMB-S4, должна стать еще в несколько раз чувствительнее, ограничив r примерно 0,001.
Многие космологи надеются, что первобытные гравитационные волны появятся на одном из этих все более четких изображений МГБ, доказывая, что теоретики действительно имеют представление о первоначальном взрыве Вселенной. Если же нет, то теория может еще немного задержаться в подвешенном состоянии. Для того чтобы отсеять большинство заблудившихся инфляционных моделей, потребуется еще в десять раз меньшее число r, а это потребует от экспериментаторов, таких как Прайк, снова придумать еще более совершенные способы измерения почти незаметных пульсаций, которые предсказывают теоретики.
«С экспериментальной точки зрения это кажется просто недостижимым», — говорит он. «Но когда я пришел в этот бизнес 20 лет назад, измерение B-моды вообще казалось нелепым».
