Диалоги (июнь 2003 г.) - Гордон Александр. Страница 9

Интерферометр типа «LISA» предназначен для гораздо более низкочастотных гравитационных волн, период их от нескольких сотен секунд до нескольких часов. Электромагнитных волн такого диапазона просто нет, они не распространяются в нашем пространстве. Любая достаточно мягкая плазма их поглотит и не позволит им распространятся. Гравитационные волны чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, и поэтому могут распространяться. Надо сказать, что трудность детектирования гравитационных волн связана именно с тем, что они слабо взаимодействуют с веществом, но в этом же и их прелесть. Они доходят до нас от самых ранних стадий эволюции Вселенной. Следующую картинку, пожалуйста.

Вот вы видите, схему интерферометра «LISA» на орбите. Жёлтый кружок в центре – это Солнце, белый круг – это орбита Земли, и вокруг штриховой линией показано положение трех интерферометров. Здесь будет бегать лазерный луч, который будет подвергаться действию гравитационной волны и который будет показывать экспериментаторам, насколько сильно действует на них гравитационная волна. Следующую, пожалуйста, картинку.

Эти три спутника будут двигаться вдоль орбиты Земли и совершать вот такие движения в течение нескольких лет, что позволит накапливать гравитационный сигнал от далёких источников – не только от двойных тёмных дыр или ещё от каких-то источников двойного типа, но, в частности, попробовать зарегистрировать гравитационно-волновой шум от ранней Вселенной. Это те гравитоны, которые были порождены в самые ранние моменты времени. Следующую картинку, пожалуйста.

Что мы можем сказать о другом диапазоне? Здесь представлен ещё один способ детектирования гравитационных волн. Надо сказать, что идейно он ничем не отличается от интерферометра. Здесь тоже у нас есть приёмник, но здесь приёмником выступает приёмная система радиотелескоп-пульсар. Это аналог лазера. Пульсар – это космический объект, который излучает очень высокостабильные импульсы электромагнитного излучения. Эти импульсы электромагнитного излучения обладают не намного худшей стабильностью, чем у хороших лазеров. И если на распространяющиеся электромагнитные волны от пульсара до радиотелескопа действуют гравитационные волны, как здесь показано, то они будут чуть-чуть менять фазу этих импульсов, и на радиотелескопе мы будем это видеть, как если бы они чуть-чуть запаздывали или шли с опережением. Поэтому, в сущности, здесь тоже реализуется интерферометр, но только с гигантскими размерами, поскольку расстояние от ближайшего пульсара до Земли, это сотни парсек. Это уже даже не 5 миллионов километров, это уже чисто астрономические расстояния.

У нас есть и другие способы детектирования очень низкочастотных гравитационных волн. Следующую, пожалуйста, картинку. Эти гравитационные волны имеют частоту, сравнимую с горизонтом нашей Вселенной, частоту порядка 10 в минус 18 герц. В данном случае они изменяют так называемую поверхность последнего рассеяния. То есть, ту поверхность, откуда до нас доходит реликтовое излучение, которое было рождено в ранней Вселенной. И мы можем наблюдать действие гравитационных волн в виде анизотропии этого реликтового излучения. Здесь я должен два слова сказать о том, что такое реликтовое излучение.

Надо сказать, что все тела при расширении охлаждаются, а при сжатии нагреваются. Наша Вселенная расширяется, и она охлаждается. В прошлом она была гораздо горячей, и в ней была так называемая первичная плазма. Эта первичная плазма состояла из нескольких сортов частиц, в частности, одними из таких частиц были фотоны. После того как плазма остыла достаточно для того, чтобы электроны рекомбинировались протонами, у нас образовалось нейтральное вещество, и фотоны начали распространяться свободно. Эти фотоны сейчас астрономы и наблюдают в виде реликтового излучения. Это реликтовое излучение пошло с так называемой поверхности последнего рассеяния. Представьте себе, что вот здесь у нас температура упала настолько, что фотоны смогли излучаться, распространяться оттуда свободно. При этом они распространяются во всех направлениях, но только в одном направлении – к телескопу – мы их увидим. И такие фотоны формируют то, что называется «поверхность последнего рассеяния», и мы видим источник во Вселенной, внутри которого мы находимся. Это гигантский источник, самый далёкий из известных во Вселенной, и называется он «поверхность последнего рассеяния».

Эта поверхность последнего рассеяния под воздействием гравитационных волн тоже немножко колышется, точно так же, как два плеча интерферометра. И мы наблюдаем это в виде горячих и холодных пятен реликтового излучения. Пожалуйста, следующую картинку.

Надо сказать, что анизотропия реликтового излучения была открыта примерно 10 лет назад, и в течение этих лет астрономы очень активно исследовали анизотропию реликтового излучения. Но новый этап этого изучения наступил с выводом спутника «WMAP», который расшифровывается так «Вилкинсон майкровейв анизотропи проуб». Этот спутник был запущен в точку Лагранжа L2 и служит для того, чтобы записать всю информацию об анизотропии реликтового излучения со всей сферы. Пожалуйста, следующую картинку. Вы видите карту, которую сделал этот спутник. Красные пятна на этой карте означают повышенное значение температуры в данном направлении, синие – пониженное. Итак, мы видим всю сферу вокруг нас в виде такой пятнистой поверхности. Гравитационные волны и формируют эту поверхность, они являются стохастическими волнами, но в отличие от тех волн, которые мы можем дать в проекте «ЛАЙГО», мы видим не изменения их во времени, а изменение их в пространстве, поскольку сама гравитационная волна – очень низкочастотная. Конечно, наблюдать, как она эволюционирует во времени, мы не можем. Тем не менее, мы можем наблюдать, как она эволюционирует в пространстве, как меняется она по сфере «последнего рассеяния».

Вот эта карта была сформирована буквально месяц назад. Американские астрономы, которые наблюдали на спутнике WMAP, опубликовали свои результаты в начале февраля. Надо сказать, что этот спутник будет работать ещё год, и будем надеяться, что они получат ещё более точные данные.

Теперь немножко о гравитационных волнах. Анизотропия, которая сейчас наблюдается, вызвана так называемыми флуктуациями плотности. Это те флуктуации плотности, которые тоже были порождены в ранней Вселенной, и которые сейчас сформировали крупномасштабную структуру (галактики, звёзды), и благодаря чему возникли и мы с вами. Совершенно точно можно сказать, что флуктуации, которые наблюдают сейчас астрономы, это не гравитационные волны, но, тем не менее, есть основание думать, что мы уже очень близки к тому пределу, когда гравитационные волны можно будет наблюдать и в таком диапазоне частот тоже. Почему? Дело в том, что общие теоретические предсказания указывают на то, что гравитационные волны должны вызывать анизотропию примерно в 10, может быть, в 20, в 30 раз меньше, чем то, что уже зарегистрировано. Надо сказать, что чувствительность таких экспериментов очень быстро растёт со временем. Само реликтовое излучение было открыто в 66-м году, температура этого излучения – 3 градуса Кельвина. Оно, надо сказать, было открыто случайно, в результате испытания нового радиометра. Понадобилось 10 лет, чтобы открыть дипольную гармонику в анизотропии реликтового излучения, связанную с тем, что наша Земля, Солнечная система движется сквозь реликт, и из-за этого равновесное излучение кажется, с одной стороны, более ярким, с другой стороны более тусклым. Понадобилось ещё 20 лет, чтобы открыть другие гармоники в анизотропии реликтового излучения.

Теперь мы уже подошли к тому, что полностью промерен спектр этого реликтового излучения, и уже наблюдается поляризация этого излучения. Давайте я два слова скажу о том, почему это так важно. Дело в том, что гравитационные волны и скалярные возмущения, возмущения плотности, совместно производят вот эту картинку, эту рябь на поверхности последнего рассеяния, и для того, чтобы разделить вклад гравитационных волн от скалярных возмущений, от возмущений плотности, мы должны наблюдать ещё некоторые параметры этого излучения, а именно, два параметра Стокса. Вся интенсивность, все электромагнитное излучение характеризуется несколькими параметрами Стокса, это интенсивность и два дополнительных параметра, которые характеризуют поляризацию реликтового излучения. Вот поляризация реликтового излучения однозначно даст вывод о том, что гравитационные волны зарегистрированы.