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

«Это нормально не знать ответы на все вопросы. Лучше признавать свое невежество, чем верить в ответы, которые могут быть неправильными. Притворство что мы знаем все, закрывает дверь для понимания что же там на самом деле»

Нил Деграсс Тайсон

Файлы

Бог как иллюзия

Характер физических законов

Критическое мышление: необходимо каждому для выживания в быстро меняющемся мире

Живые организмы - спутники человека