И снова о гравитационных волнах

Рис. 1. Карта, отражающая величину поляризации космического фона, снятая WMAP. Контурами показаны оболочки пузырей от Близких взрывов сверхновых

В марте этого года команда эксперимента BICEP2 заявила о регистрации реликтовых гравитационных волн. Этому событию была посвящена статья в ТрВ-Наука от 25 марта [1]. В той статье мы подходили к заявлению с большой осторожностью и намекали, что рано пить шампанское. Причина осторожности-агентурные данные от квалифицированных людей, непосредственно занимающихся той же проблемой в других экспериментах. И вот сомнения в правомерности заявления об открытии стали появляться в таких респектабельных изданиях, как Nature (и даже в Washington Post). Проблема столь значима, что и ТрВ-Наука не грех осветить текущее состояние вопроса.
Кратко напомним, о чем речь.

BICEP2 — небольшой, но очень чувствительный микроволновый телескоп, расположенный на Южном полюсе. Его задача — хорошо измерять поляризацию реликтового излучения и попытаться вытащить из карты этой поляризации следы гравитационных волн, сгенерированных в первые мгновения жизни Вселенной. Эта задача очень важна, поскольку обнаружение реликтовых гравитационных волн поставит точку в дискуссиях о физическом механизме, создавшем Вселенную. Их может дать только механизм космологической инфляции, и ничто другое. Теория космологической инфляции и так имеет много подтверждений, но гравитационные волны стали бы последним, заключительным звеном.

Напомним также, что не любая поляризация реликтового излучения свидетельствует о гравитационных волнах, а только так называемая В-мода — рисунок, подобный карте магнитного поля, в отличие от Е-моды, подобной электростатическому полю.

BICEP2 зарегистрировал именно В-моду, причем достаточно уверенно. Сразу скажем, что нет сомнений в том, что В-мода поляризации реликтового излучения найдена. Есть сомнения в том, что она вызвана первичными гравитационными волнами.
Первые сомнения вызвала слишком большая величина эффекта — серьезно превышающая верхний предел, поставленный космическими экспериментами WMAP и «Планк». Основные подозрения сразу пали на космическую пыль нашей Галактики. Пыль, содержащая железо (а таковой в космосе благодаря сверхновым огромное количество), ориентируется в магнитном поле Галактики подобно железным опилкам на листе бумаги, под которым находится магнит. И эта ориентированная (поляризованная) пыль излучает поляризованные микроволны, причем их карта как раз складывается в В-моду. Авторы эксперимента знали об этой проблеме, но положились на свои модели распределения пыли. В эксперименте наблюдались высокие галактические широты — там пыли вроде бы должно быть меньше, чем нужно, чтобы имитировать вклад реликтовых гравитационных волн. Увы, по части поляризованной пыли авторам BICEP2 было не на что положится — дело в специфике наземных экспериментов.

При всем своем удобстве наземные наблюдения микроволнового космического излучения имеют общую неустранимую проблему: ограниченное окно прозрачности. К счастью, атмосфера более-менее прозрачна для реликтового излучения. Но через нее не проходят более высокие частоты, которые как раз нужны для того, чтобы идентифицировать пыль — у нее совсем другой спектр, максимум ее излучения приходится на гораздо более высокие частоты. WMAP и «Планк» видят широкий диапазон частот и могут легко отделить излучение пыли от реликтового излучения. Команда BICEP2 такой возможности не имеет и вынуждена полагаться на существующие данные. Главные данные — карта поляризации «Планка» на разных частотах. Эти данные уже существуют, но еще недоступны — обрабатываются. Но есть и другие данные, которыми команде BICEP2 стоило бы воспользоваться для оценки фона вместо того, чтобы прибегать к моделям, дающим успокоительную оценку.

Бурная дискуссия с сомнениями вокруг результатов BICEP2 идет примерно с середины мая. Но первая критическая публикация появилась в архиве е-принтов еще 7 апреля: arXiv:144.1899. Авторы, используя данные длинноволновых радиообзоров и данные WMAP, показывают, что как раз в том направлении, куда смотрел BICEP2, находится край «пузыря» от близкого взрыва сверхновой. В таких пузырях хватает всего — ферромагнитной пыли, турбулентного магнитного поля и электронов высоких энергий, дающих синхротронное излучение.

Причем больше всего излучения идет с границы пузырей — там всё еще движется ударная волна от древнего взрыва, ускоряются частицы, генерируются магнитные поля, сжимается межзвездная среда. Граница — сферическая, но ее видимая яркость растет к краю по чисто геометрическим причинам — с краю больше видимая толща. Поэтому мы видим пузыри от старых взрывов как излучающие дуги и кольца. Рис. 2 демонстрирует весь драматизм ситуации с результатом BICEP2. Такого они в свою модель фона не закладывали.



Рис. 2. Карта неба, где изображены поле зрения BICEP2 и оболочки пузырей

Авторы заявления об открытии гравитационных волн пытаются держать удар и сохранить лицо. Естественно, они умерили пафос, но настаивают на том, что результат, вероятно, правилен. В принципе, нет ничего криминального в публикации результата, достоверность которого будет оспорена — в науке таких примеров огромное количество. Проблема скорее в пропагандистском вале, поднятом явно преждевременно. Очередной урок исследователям: когда вырисовывается открытие, главное-не поддаваться внезапно нахлынувшему чувству торжества и немного остыть.

Примечание:
1. http://trv-science.ru/2014/03/25/reliktovye-gravitacionnye-volny/

Борис Штерн