В чем причина существования аномалий реликтового излучения? Влияют ли объекты Солнечной системы и структуры Галактики на распределение пятен в карте реликтового излучения? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Олег Верходанов.

Аномалии реликтового излучения — что это такое? Когда мы говорим слово «аномалия», мы говорим, что что-то пошло не так и отличается от всего остального. Когда мы говорим о реликтовом излучении, в этом возникает дополнительная интрига. То самое излучение, которое нам дает информацию обо всем, что произошло, — мы знаем, как это должно быть построено, — имеет какие-то аномалии. С чем они связаны, откуда они взялись? На основании аномалий реликтового излучения построено достаточно много интересных физических спекуляций.

Что такое аномалия? Представим себе, что законы природы у нас везде одинаковы, везде одинаково росли флуктуации, которые взаимодействовали с фотонами, и это отражалось в виде формы, глубины и размера пятен в этом излучении, в этом фоне, который мы сейчас наблюдаем.

Существует стандартный, классический набор аномалий, которые есть в реликтовом излучении. В основном они все связаны с низкими гармониками. Что такое низкие гармоники и почему это так важно? В спектре мощности, когда мы смотрим, это гармоники с определенными номерами (сферические гармоники называются мультиполями) — это мультиполи с номерами меньше 50, а еще точнее, меньше 20. Когда мы смотрим на эти масштабы и если они имеют космологическое происхождение, гармоники реликтового излучения на этих масштабах, то они связаны с самыми первыми моментами, с инфляционным началом, то есть то, что было самое маленькое, разрослось и стало самым большим. А более мелкие пятна, как правило, могут быть связаны с близкими скоплениями галактик. Но при этом мы должны понимать, что крупные масштабы — это еще масштабы в Солнечной системе вокруг нас, это масштабы в нашей Галактике. И когда мы говорим об аномалиях и пытаемся их объяснить, мы еще ищем возможное происхождение в различных окружениях, которые вокруг нас есть.

Итак, первая самая известная аномалия — это ось зла. Сам термин на самом деле стал астрофизическим, это была работа Кейт Лэнд в Phys. Rev., она так и называлась — «Ось зла». Работа вышла в то самое время, когда Буш-младший на карте прочертил между определенными странами прямую и сказал, что эти страны лежат на оси зла. Если мы наклон этой оси перенесем на карту реликтового излучения и посмотрим положение пятен самых крупных космологических гармоник — это квадруполь и октуполь (квадруполь — это масштабы 90°, а октуполь — это масштабы 45°), — то мы увидим, что пятна выравниваются вдоль некоторой оси и у квадруполя, и у октуполя. Мало того, они выравниваются друг относительно друга. Вот это выравнивание вдоль оси, собственно, октуполя и квадруполя одинаковые, назвали осью зла. Возникновение ее очень маловероятно, случайно, то есть вероятность случайного возникновения меньше 3%.

Рекомендуем по этой теме:
Видео
10122 0
Радиогалактики

Нужно как-то объяснить, почему это произошло. И объяснений существовало достаточно много. Одно из таких объяснений — это, например, анизотропное расширение Вселенной. Представим себе, что во Вселенной в самую раннюю эпоху есть какое-то мощное магнитное поле. Тогда можно было каким-то образом выровнять эти пятна, или, если Вселенная расширялась, скручиваясь, тогда у нас тоже низкие гармоники, положения пятен могли бы выровняться. С другой стороны, может, удастся объяснить это какими-то другими путями. Для этого нам нужно смотреть, нет ли корреляции этой оси с какими-нибудь явлениями в окружающем нас пространстве. Особенность ее состоит в том, что действительно есть. И есть, с одной стороны, чувствительность к плоскости эклиптики. То есть плоскость эклиптики практически перпендикулярна этой оси. Плоскость эклиптики лежит близко к скоплению в Деве, то есть в месте, куда мы движемся. С одной стороны, у нас в Солнечной системе есть выравнивание с этими наблюдениями, и можно говорить, что каким-то образом различная чувствительность при наблюдениях. Когда спутник летает, он больше всего срезов делает именно по полюсам, при изменении реликтового излучения, и, казалось бы, это как-то должно влиять, но нет. Это чистая задача, чисто математически она решается, и разность чувствительности не сказывается.

С другой стороны, наша звездная система летит в определенном направлении. Это могло бы сказаться на реликтовом излучении, например, какой-нибудь гигантский эффект Зельдовича — Сюняева. Посчитали, это тоже не происходит. Тем не менее это объяснение не отменено, не связанное с эклиптикой, не связанное с нашим движением. Сам факт остается. Даже данные наблюдений Planck, которые выравнивание чуть-чуть исправили, на 2°, все равно не отменили саму проблему. Плоскость эклиптики занимает приблизительно 20° (± 10° от самой плоскости), и изменение на 2–3° не выводит ее из этой полоски. Объяснения нет. Загадка есть. Аномалия.

Вторая серьезная аномалия, которая известна, — это холодное пятно.

Холодное пятно — это пятно в Южном полушарии глубиной меньше минус 4 сигма по дисперсии космологического шума, размером 10°, сложной структуры. Нашли его вейвлетами: проверяли гауссовость распределения сигнала вейвлетами и обнаружили, что есть область, удаление которой приводит к гауссовости, а существование которой полностью все нарушает. На нее стали смотреть внимательней, и оказалось, что там очень сложная структура. Оказалось, что в этом направлении сглаженные карты радиоисточников в 21 сантиметре, построенные на интерферометре VLA, так называемой New VLA Sky Survey (NVSS), радиоисточники имеют минимум, мы видим одну ямку в распределении радиоисточников, другую ямку в распределении реликтового излучения.

Радиоисточники имеют медианное красное смещение z=1, а реликтовое излучение — это 380 тысяч лет после Большого взрыва. z=1 Вселенной у нас 3–4 миллиарда лет в зависимости от космологической модели. Значит, примерно от этого возраста до самого начала у нас гигантская дыра, просто гигантский войд. Что это такое? Возникли модели, которыми спекулировали. Эти модели — новая физика. Например, скручивание Вселенной. А возникли модели, что, возможно, это текстура. Текстура — это трехмерный разрыв пространства, то есть место, где у нас ничего нет. Эту идею продвигают испанцы и с ними английский теоретик Нил Турок, которые подобрали такую модель текстуры, что при ее удалении у нас карта становится гауссовой. То есть мы предположим, что у нас здесь разрыв пространства, описываем его некоторой функцией, вычитаем соответствующее явление, и у нас становится все хорошо. Но то же самое можно сделать и на мультиполях.

Мы можем просто взять первые 20 гармоник, которые крайне странно распределены в пространстве, именно пятна у них распределены. Мы их просто убираем, у нас все становится хорошо. Проще в данном случае говорить, что что-то не то со всеми низкими гармониками. Для описания низких гармоник используется понятие «статистическая изотропия». Мы знаем, что реликтовое излучение анизотропно — есть горячие и холодные пятна на уровне 10–5, но эти пятна по всем направлениям распределены одинаково. То есть мы берем какую-то область, смотрим на небе в разные направления, и вся эта анизотропия одинакова по всем направлениям. Если она неодинакова, то мы говорим о статистической анизотропии, если одинакова — говорим о статистической изотропии анизотропного реликтового излучения. Так вот, низкие мультиполи отличаются по разным направлениям.

Другой интересный эффект, связанный с нарушением четности спектра мощности. Когда мы берем космологическую модель Лямбда-CDM, строим соответствующие модели, мы видим, что спектр мощности у нас очень гладкий, хороший. Мы берем реальные наблюдения, мы видим «пилу». Теперь начинаем суммировать мультиполи, связанные с четными гармониками, и мультиполи, связанные с нечетными гармониками, и их суммы начинают расходиться. То есть мы видим различие между четностью, между четными и нечетными мультиполями. Если мы берем какие-то пятна, вырезаем, из полюсов просто убираем срез и начинаем считать спектр мощности, у нас возникает «пила». Если мы что-то выделяем в плоскости Галактики ярче, у нас возникает «пила». Не исключено, что «пила» — это наследование излучения в плоскости Галактики. Но это нам тоже не страшно, потому что мы используем такую процедуру при расчете спектра мощности (бинирование), что все, что попадает в спектр, мы сглаживаем.

Рекомендуем по этой теме:
talks
Олег Верходанов: «Самое точное знание о физике Вселенной несет реликтовое излучение»

Другое интересное свойство связано со скоплениями галактик. Известно, что по скоплениям галактик можно определить их массу, если мы знаем космологию. А теперь предположим, что мы знаем массу, что это некие стандартные величины массы скоплений, тогда мы можем определить некоторые космологические параметры, например параметр Хаббла и постоянную Хаббла — параметр Хаббла в настоящую эпоху — и плотность Вселенной в целом — это параметр Ω0. То есть мы можем построить соответствующую диаграмму. Если мы нанесем эти параметры, определяемые по скоплениям, мы увидим, что доверительный интервал смещен относительно основных параметров, которые определяет Planck. То есть все сходится, кроме определения параметров по массам скоплений. Если мы их знаем, мы знаем эффект Зельдовича — Сюняева, мы можем оценить амплитуды, мы можем посмотреть, что происходит, и построить соответствующие модели.

Есть расхождения, неприятная вещь. Planck посвятил этому отдельную работу. Не исключено, что массы скоплений на самом деле чуть-чуть другие, распределение их другое. Тогда использование этой диаграммы нам всего лишь говорит о систематических особенностях, о систематическом эффекте, который не до конца учитывается. Но есть любопытная вещь. Planck имеет девять наблюдательных частот, и, если из этих частот убрать одну, 217 ГГц, многие проблемы, связанные с определением космологических параметров, в том числе и по скоплениям, немножко нивелируются. Эту работу проделали американцы, члены команды WMAP (это спутник, который летал до Planck). И они показали, что на самом деле, даже если убираются данные 217 ГГц, результаты Planck и результаты WMAP космологически полностью совпадают. На самом деле они чуть-чуть не совпадают — на одну сигму. Это не страшно, это не нарушает никаких идей, не нарушает никакие модели, но немножко неприятно.

Следует заметить, что аномалии реликтового излучения могут быть связаны с аномалиями в распределении фона в Галактике.

Если мы не учитываем какую-либо компоненту, то, несомненно, эта компонента может просочиться в карту. То есть мы считаем, что у нас чернотельное излучение, разделяем все компоненты реликтового излучения на части, оставляем космический микроволновый фон и считаем, что это то самое чернотельное излучение. Но у нас есть какая-то дополнительная компонента, которая не учитывается. Эта компонента, которая была гипотетически известна, но на самом деле ее распределение не было до конца известно, — это холодная пыль. И она вносила дополнительный вклад в аномалию, и, может быть, она связана с тем, что какие-то низкие мультиполи, у WMAP особенно, ориентированы по некоторым определенным углам, 0° или 90°, к плоскости Галактики. И такая аномалия может быть связана с Северным галактическим шпуром. Это в синхротронном излучении гигантская такая область, идущая от Северного полюса, пересекающая плоскость Галактики, идущая к Южному, но не доходящая — до середины Южного полушария приблизительно доходит.

Кроме того, следует заметить, что есть еще одна анизотропная вещь, связанная с реликтовым излучением, — это ненайденные радиоисточники. Их тысячи. И эта аномалия как раз подсчитывается. Когда мы смотрим на карты реликтового излучения, мы знаем, сколько пятен на карте реликтовых излучений, это 23000 горячих и холодных пиков. То есть мы 2 возводим в номер мультиполя, и вот столько пятен по всему небу у нас есть. Радиоисточников, которые могут быть неотождествлены, примерно, допустим, миллион. Это значительно меньше, чем количество этих пятен. Радиоисточники на очень маленьких масштабах, но есть какие-то протяженные, которые могут немного искажать, и если мы будем строить спектр мощности, мы увидим некоторые искажения. Эти искажения, конечно, можно считать как аномалию, но сейчас-то мы умеем это все считать. То есть строится просто logN–logS (число источников — плотность потока) кривая, из нее мы рассчитываем, сколько должно быть, просто можем сравнивать соответствующие кривые и объяснить эту аномалию, которая наблюдается.

И последняя аномалия интересная, о которой я хочу сказать, — это амплитуда квадруполя. Мы знаем, как у нас выглядит спектр мощности, мы знаем, что ожидать от той Вселенной, в которой мы живем. Что будет означать, если какие-то амплитуды гармоник реликтового излучения у нас будут ниже уровня, и что это за уровень? Этот уровень называется cosmic variance — космическая неопределенность, или космическая вариация. Она вычисляется достаточно просто. Если мы переносим себя на какие-то другие точки, на очень большие расстояния, на гигапарсеки, и опять измеряем спектр мощности, он будет все равно чуть-чуть другим, мы видим Вселенную чуть-чуть другой. Берем бесконечное число этих переносов и строим соответствующий средний спектр мощности или, если мы боги, создаем кучу этих вселенных в компьютере по определенным законам, потом усредняем и видим эту дисперсию, эту космическую неопределенность, внутри которой спектр хорошо ложится.

Рекомендуем по этой теме:
FAQ
FAQ: Поляризация реликтового излучения

Представьте себе, какая-то гармоника уходит за пределы этой космической неопределенности. Что это такое? Спекуляции очень красивые здесь. Это в самом крайнем случае значит, что этой гармоники нет на небе. У нас Вселенная имеет такую форму, что таких масштабов там просто нет. И есть такая гармоника, она называется квадруполь, самые большие масштабы имеют амплитуду очень маленькую. Если у нас нет таких масштабов на небе, значит, мы можем говорить отсюда об особой топологии нашей Вселенной. Что это значит? Что такое особая топология? Мы можем представить себе такие тела, у которых соответствующих масштабов нет. Это, например, трехмерный тор. Стандартный бублик — поверхность двумерная, а мы можем представить себе трехмерный тор, и тогда определенных масштабов нет. То есть мы как бы видим всю Вселенную, все очень хорошо, но мы не знаем, что этих масштабов нет.

Мы их можем увидеть двумя способами. Первое — это посмотреть на квадруполь, второе — посмотреть очень далеко и убедиться, что там мы видим свою спину, а где-то там еще одну свою спину, потому что свет тор обходит, и так много раз повторяем. Программы по исследованию поиска своих отражений проводились на различных телескопах, в оптике, и ничего подобного найдено не было. Но, с другой стороны, можно объяснить падение квадруполя и другим способом: просто так случилось. То есть у нас всегда есть вероятность того, что, какой бы мультиполь маленький ни был, он все равно в рамках гауссового распределения сигнала с бесконечными хвостами имеет право на существование.

А здесь можно очень оптимистично закончить, если такое случилось, можно уверенно сказать: не все параметры во Вселенной, в частности амплитуда квадруполя, подстроены под наше удобное восприятие. То есть антропный принцип, может быть, и работает, все очень хорошо, но мы можем найти то, что нам не понравится. Эта одна из таких возможных аномалий как раз этому и следует.