«Планк» не нашел гравитационных волн

Несмотря на все слухи о возможном обнаружении первичных гравитационных волн, совместный анализ данных спутника «Планк», принадлежащего Европейскому космическому агентству, и наземных экспериментов BICEP2 и массива Кека не предоставил никаких доказательств их существования. Как вы знаете, Вселенная начала свое существование около 13,8 миллиарда лет назад и превратилась из очень горячего, плотного и однородного состояния в богатый и сложный космос из галактик, звезд и планет, которые мы наблюдаем сегодня. Исключительно важным источником информации об истории Вселенной является космический микроволновый фон (CMB, реликтовое излучение), останки света, который появился спустя всего 380 000 лет после Большого Взрыва.

Спутник «Планк» наблюдал этот фон по всему небу с беспрецедентной точностью, и за последние несколько лет мы узнали много нового о юной Вселенной. Но астрономы копают глубже в надежде вернуться еще дальше назад во времени: они ищут конкретную сигнатуру космической «инфляции» — короткого периода ускоренного расширения, сквозь которое, согласно теории, прошла Вселенная в возрасте нескольких мельчайших долей секунды.

На этом снимке — участок неба, за которым наблюдал спутник «Планк» в миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн. Цветовая шкала отображает излучение пыли, которая наполняет Млечный Путь. Текстура, наоборот, отображает ориентацию галактического магнитного поля. Она базируется на измерениях направления поляризованного света, излучаемого пылью. Выделенный регион отображает положение небольшого участка неба, за которым наблюдали ученые на Южном Полюсе, BICEP2 и массиве Кека и который навел на мысли о возможном обнаружении искривленных B-мод.

Эта сигнатура должна быть заметна по гравитационным волнам, крошечным возмущениям в ткани пространства-времени, которые возникли в ходе инфляционной фазы, по мнению астрономов. Что примечательно, эти возмущения должны были оставить отпечаток на другой особенности реликтового излучения: его поляризации.

Когда световые волны вибрируют преимущественно в определенном направлении, мы говорим, что свет поляризован. Реликтовое излучение поляризовано и демонстрирует сложную картину по всему небу. Она состоит из двух основных узоров: круглых и радиальных (известных как E-моды) и фигурных (B-моды).

Разные явления во Вселенной производят либо E-, либо B-моды на разных угловых размерах, и определение различных источников требует чрезвычайно точных измерений. Именно B-моды могли получить приз за выявление инфляции юной Вселенной.

«Поиск этой уникальной записи самой юной Вселенной сложный и интересный, так как этот субтильный сигнал скрывается за поляризацией реликтового излучения, которое само по себе представляет лишь несколько процентов от всего света», — говорит Ян Таубен, ученый проекта «Планк» в Европейском космическом агентстве.

«Планк» не одинок в этом поиске. В начале 2014 года еще одна команда астрономов представила результаты, основанные на наблюдениях за поляризованным реликтовым излучением на небольшом участке неба в 2010-2012 годах с BICEP2, экспериментом на Южном Полюсе. Команда также использовала предварительные данные с другого эксперимента на Южном Полюсе, массива телескопов Кека.

И они нашли нечто интересное: фигурные B-моды в поляризации наблюдались на участках неба в несколько раз больших, чем размер полной Луны. Команда BICEP2 выставила этот факт в пользу той интерпретации, что сигнал возник от первичных гравитационных волн, и вызвала огромный резонанс в научном сообществе.

Тем не менее есть и другой соперник в этой игре, который может производить такой же эффект: межзвездная пыль в нашей галактике Млечный Путь.

На этом изображении показана карта всего неба, составленная «Планком» на девяти частотах во время его первого 15,5-месячного наблюдения

Млечный Путь пронизан смесью пыли и газа, и пыль сияет на таких же частотах, что и реликтовое излучение, что существенно мешает наблюдению за древнейшим космическим светом. Необходим крайне тщательный анализ, чтобы отделить затмевающий космический фон свет. Что важно, межзвездная пыль тоже излучает поляризованный свет, что влияет на поляризацию реликтового излучения.

«Когда мы впервые обнаружили этот сигнал в наших данных, мы опирались на модели излучения галактической пыли, доступные на тот момент, — говорит Джон Ковач, главный исследователь BICEP2 из Гарвардского университета в США. — Они, как казалось, показывают, что область неба, выбранная для наших наблюдений, обладает пылью с меньшей поляризацией, чем у обнаруженного сигнала».

Оба наземных эксперимента собирали данные на одной микроволновой частоте, что делало сложным разделение излучения Млечного Пути и фона.

С другой стороны, «Планк» наблюдал небо на девяти микроволновых и субмиллиметровых частотных каналах, семь из которых были также оснащены поляризационно-чувствительными детекторами. Путем тщательного анализа эти многочастотные данные можно было разделить по необходимости.

Команда BICEP2 выбрала поле, где, по их мнению, выбросы пыли должны быть низкими, и таким образом интерпретировала сигнал, который должен быть космологическим. Тем не менее, как только «Планк» составил карту поляризованного излучения галактической пыли, стало понятно, что ее вклад в общее дело может быть выше, чем ожидалось.

Более того, в сентябре 2014 года «Планк» впервые показал, что поляризованное излучение пыли преобладает по всему небу, если сравнивать с сигналом, обнаруженным BICEP2, даже в относительно чистых регионах.

Таким образом, команды «Планка» и BICEP2 объединили усилия, сочетая способность спутника справляться с передним планом излучения (за счет наблюдений на разных частотах) и большей чувствительностью наземных экспериментов в случае работы с ограниченными участками неба, благодаря их более мощным и современным технологиям. К тому времени также стали доступны полные данные массива Кека за 2012 и 2013 годы.

«Эта совместная работа показала, что обнаружение первичных B-мод уже не такое уверенное, когда мы удаляем излучение галактической пыли, — говорит Жан-Лу Пьюже, главный исследователь инструмента HFI спутника «Планка» из Института астрофизики в Орсе, Франция. — К сожалению, мы не смогли подтвердить, что этот сигнал — отпечаток космической инфляции».

Другой источник поляризации B-мод, который уходит корнями в юную Вселенную, был выявлен в ходе исследования, но на значительно меньших масштабах неба.

Этот сигнал, впервые обнаруженный в 2013 году, не является прямым признаком инфляционной фазы, но индуцируется космической сетью массивных структур, наполняющих Вселенную и изменяющих путь фотонов реликтового излучения на пути к нам.

Это изображение демонстрирует, как фотоны космического микроволнового фона (реликтового излучения) рассеиваются гравитационным линзированием массивных космических структур по дороге через Вселенную

Этот эффект называется «гравитационное линзирование», поскольку возникает, когда массивные объекты искривляют окружающее пространство и изгибают траекторию движения света так, будто он проходит через увеличительное стекло. Этот сигнал, обнаруженный совместно «Планком», BICEP2 и массивом Кека, пока остается сильнейшим. Но что касается признаков инфляционного периода, вопрос остается открытым.

«Хотя мы не нашли убедительных доказательств сигнала первичных гравитационных волн среди лучших из доступных на сегодня наблюдений поляризации реликтового излучения, это совсем не отменяет инфляцию», — говорит Рено Мандолези, главный исследователь инструмента LFI на «Планке» из Университета Феррары в Италии.

Совместное исследование установило верхний предел на количество гравитационных волны от инфляции, которые, возможно, были сформированы в этот период, но недостаточно, чтобы подтвердить его в соответствии с настоящим анализом.

«Этот анализ показывает, что количество гравитационных волн, возможно, не будет превышать половину наблюдаемого сигнала, — говорит Клем Прайк, главный исследователь BICEP2 из Университета Миннесоты. — Новый верхний предел сигнала хорошо согласуется с верхней границей, полученной ранее с «Планком» на основе температурных колебаний реликтового излучения. Сигнал гравитационных волн все еще может быть там, и поиск, безусловно, продолжится».