37. Р. P. S. к главам 31-36: Гравитационные волны обнаружены?

Когда книга близилась к завершению, 17 марта 2014 года мировые масс-медиа обошла сенсация: открыты реликтовые гравитационные волны! Авторы сенсации — коллектив эксперимента BICEP2, продолжающего упомянутый выше BICEP. В их электронном препринте (arXiv.org/1403.3985v2) сообщается об обнаружении В-моды поляризации реликтового излучения, которое интерпретируется как «отпечаток» реликтовых гравитационных волн. BICEP — довольно маленький по размеру микроволновый телескоп, расположенный на Южном полюсе. Угловое разрешение всего полградуса, зато очень низкие шумы и высокая чувствительность. Это, в частности, достигается за счет охлаждения жидким гелием основных элементов телескопа. Измерения, результаты которых опубликованы, проводились три сезона с 2010 по 2012 год.

На рис. 32.1 показаны снятые карты поляризации, разложенные на Е-моду (слева вверху) и В-моду (слева внизу). Длина черточек пропорциональна степени линейной поляризации, направление указывает направление поляризации. Справа — результат численного моделирование Е- и В-моды для случая, когда гравитационные волны отсутствуют (напомним, В-мода в этом случае появляется за счет гравитационного линзирования).

Невооруженным глазом видно, что В-мода заметно превышает фон от гравитационного линзирования. По отношению к скалярным возмущениям результат по гравитационным волнам выражается как r = 0,2⁺⁰⁰⁷ _₀₀₅, что неожиданно много. Научная общественность уже настроилась на то, что уровень, на котором будет обнаружен эффект от первичных гравитационных волн, окажется ниже. В комментариях по поводу открытия преобладает торжествующий тон. Действительно, детектирование реликтовых гравитационных волн — важнейший результат, ставящий точку в космологической революции, связанной с теорией инфляции. С виду результат выглядит надежным. Но в отличие от триумфа теории и эксперимента, состоявшегося в результате экспериментов WMAP и «Планк», в данном случае остаются вопросы. Главный из них: не противоречит ли результат данным вышеупомянутых экспериментов? Иными словами, сигнал от гравитационных волн оказался подозрительно большим.

В принципе, величина r ~ 0,2 вполне вписывается в простейшие варианты теории инфляции. Но она на три стандартных отклонения противоречит верхнему пределу «Планка», поставленному с опорой на эффект Сакса — Вольфа из углового спектра мощности температурных флуктуаций. Вероятность случайного отскока результата на три стандартных отклонения — два шанса из тысячи. Маловато. Правда, ограничение r < 0,11 справедливо только в предположении, что распределение неоднородностей реликтового излучения по угловому размеру (спектр мощности) описывается чисто степенным законом. Если отказаться от этого предположения, можно сильно смягчить противоречие. В препринте BICEP2 приведена картинка из статьи по результатам «Планка» именно в той версии, где предположение о чисто степенном спектре снято. Поэтому возникает впечатление согласия.

Однако для согласия между BICEP2 и «Планком» нужно так изогнуть спектр мощности, что это требует изрядного насилия над теорией. А если этого не делать, то эффект Сакса — Вольфа «задерет» спектр, показанный на рис. 32.1 слева (l < 150) примерно на 10%, что при данной точности будет явно противоречить данным.

Где возможна ошибка эксперимента, завышающая результат? Сразу надо сказать, что В-мода обнаружена достаточно уверенно, сам по себе результат сомнений не вызывает. Сомнения могут быть лишь в том, справедлива ли гравитационно-волновая интерпретация — нет ли других причин, дающих этот тип поляризации. Первое, что приходит в голову, — недооценили эффект гравитационного линзирования, способного имитировать В-моду. Вряд ли: эффект линзирования исследован вдоль и поперек, он дает основной вклад в более мелкие детали, чем те, на которых видят В-моду.

Авторы статьи рассматривают и другой возможный источник фона, имитирующего эффект: поляризованная пыль в Галактике, частицы которой ориентируются в космическом магнитном поле. Рассеяние фотонов на этой пыли дает поляризацию, способную имитировать любую моду. BICEP 2 не может выделить ее вклад, поскольку принимает только одну частоту. Это может сделать «Планк». Авторы е-принта констатируют, что карты распределения пыли для исследованного участка неба нет — она вскоре появится в следующем релизе «Планка». Пока они используют модели распределения пыли и получают успокоительный вывод о том, что этот фон относительно безопасен для главного результата.

Но не будем гадать и забегать вперед — вряд ли вопрос о подозрительно большом вкладе реликтовых гравитационных волн зависнет на долгие годы. Во-первых, вскоре «Планк» должен прояснить ситуацию с фоном поляризованной пыли. Во-вторых, параллельно идут аналогичные эксперименты, в том числе и на Южном полюсе. Будут исследованы другие участки неба, появятся независимые результаты. Наверняка большие силы мобилизуются на изучение всевозможных эффектов, влияющих на результаты измерений. Вряд ли ответы заставят себя долго ждать.

Попробуем подытожить. Сделана серьезная заявка на важнейшее открытие, возможно, ставящее точку в космологической эпопее, начавшейся более 30 лет назад. Уже раздается звон бокалов, но с окончательным празднованием победы очередной революции в космологии, пожалуй, следует немного повременить. Еще не все концы сведены с концами и не все подозрения развеяны. Если результат подтвердится, то некоторые конкретные модели инфляции, обсуждаемые в этой книге как весьма перспективные и красивые будут поставлены под сомнение или отвергнуты. Это модель Старобинского, обсуждаемая в главе 19, и ряд других, затронутых в интервью с Андреем Линде. Но стоит ли спешно переписывать соответствующие главы? Пожалуй, лучше оставить всё как есть: взгляды, мнения и высказывания ключевых участников процесса имеют наибольшую историческую ценность, когда они не переписываются в связи с новыми обстоятельствами. Документы не редактируются!

Кстати, даже если результат не подтвердится, он всё равно явится полезной встряской, мобилизующей людей на прорыв в этой важнейшей задаче. Такое уже случалось в космологии. И привлеченное внимание широкой публики дорогого стоит. В этом смысле сенсацию можно назвать здоровой вне зависимости от того, подтвердится она или нет.