1. Возникновение фотонов
В последний раз фотоны рассеялись на электронах когда-то давно. Теперь фотон летит, а электронов уже нет, поскольку их подобрал протон. Плазма стала нейтральной, в ней нет электрически заряженных частиц. Фотон содержит информацию об этом последнем взаимодействии, последнем рассеянии на электроне. Это рассеяние поляризовано, то есть фотон приходит поляризованным вдоль некоторого направления, которое определяется тем, откуда пришел фотон. И в данном случае эта поляризация линейна.
Но в ранней Вселенной в первичной плазме в каких-то направлениях есть неоднородности в распределении электронов, протонов и фотонов. Собственно, этим и определяется тот факт, что реликтовое излучение у нас анизотропно. В некоторых направлениях фотоны к нам приходят немножко горячее, в некоторых немножко холоднее, потому что электронов там было немножко больше или немножко меньше. Это образование водорода произошло позже или раньше.
В данном случае эффект от гравитационных волн состоит в том, что вокруг электрона «последнего рассеяния» фотоны также распределены неоднородно по квадрополю, когда тензорные гравитационные волны формируют определенную ромбовидную структуру. Из-за существования этой ромбовидной структуры фотон, который приходит к нам от рассеяния на электроне, оказывается поляризованным, поскольку, будучи усредненным по всем направлениям прихода тех самых фотонов, он чувствует эту ромбовидную структуру. И в результате мы получаем поляризацию реликтового излучения В-типа.
2. Поляризация В-типа и эксперимент BICEP2
Именно эту поляризацию реликтового излучения В-типа, возможно, и обнаружил эксперимент BICEP2. Эксперимент BICEP2 — это эксперимент, проходящий на самой южной макушке нашей Земли. На Южном полюсе очень прозрачная атмосфера, поэтому многие наблюдения там можно сделать с довольно понятным фоном. В этом месте проходило много экспериментов, в частности эксперименты по измерению свойств реликтового излучения. Был известный эксперимент под названием «Бумеранг», который один из первых довольно подробно увидел структуру анизотропии реликтового излучения.
Цель эксперимента BICEP2 была в измерении поляризации в размере около 400 квадратных градусов. Это окошко определяет нам размеры пространственных неоднородностей, которые данный эксперимент может увидеть. Если у нас есть маленькая лупа, то разглядеть детали какой-то большой красивой картины мы можем, но увидеть всю картину целиком невозможно, если мы не двигаем эту лупу равномерно, влево-вправо, пытаясь проанализировать ее устройство. В данном случае эксперимент расположен в одной точке Земли. Телескоп крутится лишь вместе с движением Земли, поэтому его обзор ограничен.
3. Электрическая и магнитная мода поляризации
Наш свет поляризован. Есть два вида поляризации: электрическая мода поляризации и магнитная мода, или Е-мода и В-мода, если пользоваться теми буквами, которые приняты в науке для обозначения электрического и магнитного полей.
В эксперименте BICEP2 была обнаружена так называемая В-мода поляризации. Она имеет вихревую структуру. Если представить некую точку на небесной сфере, из которой идет интенсивное излучение, то поляриметр, который мы бы прикладывали вокруг направления на точку, показал бы, что плоскости поляризации для Е-моды расположены по радиусу или по окружности вокруг направления на точку, то есть симметрично — образуют зеркальную симметрию.
Если говорить о В-моде, то поляриметр показал бы вихревую картинку, будто винт направлен в одну или в другую сторону. Во время эксперимента BICEP2 был увиден такой винт на больших угловых масштабах. Его давно ждали в связи с предсказаниями так называемой инфляционной теории.
4. Предсказание о существовании реликтовых гравитационных волн
Наша Вселенная горячая. Инфляционная стадия расширения Вселенной — это стадия гипотетическая, была она или нет — неизвестно. Тем не менее она решает очень многие важные проблемы теории горячего Большого взрыва. Одно из предсказаний этой инфляционной идеи, которое позволяет ее проверить, — это предсказание существования реликтовых гравитационных волн.
Амплитуда этих гравитационных волн, величина сигнала, его мощность зависят от той или иной конкретной реализации инфляционной теории. В одних моделях это большой сигнал, и его мы должны были увидеть еще вчера, и такие модели, к сожалению, закрыты. А есть модели, в которых сигнал гравитационных волн должен быть очень небольшим, но сегодня не существует идеи, как можно измерить такой гравитационный сигнал. В данном случае мы измерили гравитационный сигнал в области, где несколько моделей вполне могут быть ответственными за такой сигнал. Эти модели были предложены как реализация идеи инфляционной стадии в ранней Вселенной.
5. Эксперимент Planck
Другой спутниковый эксперимент под названием Planck, который изучал свойства реликтового излучения, смотря на все небо, измерил анизотропию поляризации реликтового излучения. Этот спутниковый эксперимент, по своим данным, опубликованным за год до результатов эксперимента BICEP, амплитуду гравитационных волн такого уровня, как открыл BICEP, закрыл раньше.
Интересна дальнейшая судьба этого открытия. Любая экспериментальная техника в этой области довольно сложная, и, когда эксперимент придумывается, обычно сразу предлагается несколько стадий его улучшения, которые становятся возможными в ходе развития эксперимента. В данном случае эксперимент опубликовал свои данные, когда у него уже работала следующая версия, более точная, более аккуратная. Эти данные частично уже есть и согласуются с полученными результатами.
В ближайшее время должны быть опубликованы данные по измерению аналогичной величины в других экспериментах: South Pole Telescope и, что очень важно, в эксперименте Planck. Кроме того, эксперимент Planck не публиковал прямые данные по измерению поляризации. Интрига здесь состоит в том, что такой сигнал может быть индуцирован не только реликтовыми гравитационными волнами, но и такой банальной вещью, как пыль.
6. Исследование поляризации на разных частотах
Обычно эксперименты по изучению реликтового излучения проходят на нескольких частотах, чтобы контролировать, что регистрируемое излучение — это именно сигнал от абсолютно черного тела. Его спектр хорошо известен и определяется лишь температурой. Форма его вполне специфическая, и если мы с вами измерили какие-то особенности этого сигнала и эти особенности проявились правильным образом на разных частотах, то мы уверены, что зарегистрированный сигнал обусловлен реликтовым излучением, а не чем-то еще. В данном случае, к сожалению, эксперимент устроен так, что поляризация измерена пока только на одной частоте, а когда есть измерения только на одной частоте, то нет уверенности, что именно это явление является поляризацией реликтового излучения. Возможно, оно спровоцировано какими-то другими явлениями. Такие примеры в астрофизике бывали, и важность эксперимента Planck будет состоять в том, что он измерит эту поляризацию на разных частотах и убедится, что сигнал, который измерял эксперимент BICEP, действительно «оригинальный». Planck не сможет достигнуть такой чувствительности, которой обладал эксперимент BICEP, но он будет уверен, что тот сигнал, который BICEP увидел, не пришел от пыли. Если результат будет подтвержден, то это будет одним из самых ярких проявлений инфляционной теории.
7. Квантовые флуктуации и квантование гравитации
Источником этих гравитационных волн, по инфляционной теории, являются квантовые возмущения, или квантовые флуктуации. И в данном случае это квантовые флуктуации гравитационного поля пространства-времени. Пока не построена теория квантовой гравитации. Пока мы не умеем описывать взаимодействие в рамках квантовой теории. Но тот факт, что обнаружены гравитационные волны с такими свойствами, как предсказывает инфляционная теория, говорит о том, что гравитацию квантовать-таки можно, используя такой же аппарат квантования, который мы используем для всех остальных частиц, полей, процессов, которые мы знаем. Гравитация тоже квантовая наука. Но описывать взаимодействие в рамках этого квантового подхода нужно как-то по-другому, не так, как мы это делаем для всех остальных полей. Это важное утверждение как для физики в целом, так и в частности для построения квантовой теории гравитации в дальнейшем.
