Антарктида — не лише крига та вітер. На станції Амундсена-Скотта працюють телескоп Південного полюса (South Pole Telescope, SPT) і проєкти BICEP, які за підтримки Управління науки Міністерства енергетики США та Національного наукового фонду збирають надточні дані про космічне мікрохвильове тло. Мета цих спостережень — у слабких візерунках поляризації цього випромінювання знайти відбиток первинних гравітаційних хвиль та перевірити теорію інфляції Всесвіту, розповідає Newswise Science News.
Що сталося після Великого вибуху
На самісінькому початку Всесвіт був надзвичайно малим, гарячим і щільним: у просторі меншим за електрон було зосереджено все, що згодом стало видимим космосом. За менш ніж трильйонну частку трильйонної частки секунди цей об’єм розширився зі шкали меншої за протон до розміру приблизно з кульку — процес, який фізики називають інфляцією.
Інфляція радикально вирівняла та «сплющила» простір, залишивши майже порожній Всесвіт, заповнений енергією поля, що керувало розширенням. Потім ця енергія почала перетворюватися на речовину — гарячу густу «кашу» фундаментальних частинок: кварків і глюонів. Приблизно через десять мільйонних часток секунди вони об’єдналися в протони й нейтрони. Усе це вмістилося в першу секунду існування, за яку Всесвіт збільшився до понад 100 трильйонів миль у поперечнику.
Саме цю надранню фазу інфляції й намагаються дослідити SPT та BICEP — не напряму, а через її сліди у космічному мікрохвильовому тлі.
Як виникло космічне мікрохвильове тло
Космічне мікрохвильове тло (Cosmic Microwave Background, CMB) — це світло, випромінене приблизно через 380 тисяч років після тієї першої секунди. До цього моменту в розігрітому Всесвіті вільні протони та електрони розсіювали фотони, і середовище було непрозорим, наче склянка з непрозорим напоєм.
Коли ж протони з нейтронами почали утворювати ядра, а ті — переважно атоми водню, газ став нейтральним та перестав ефективно розсіювати випромінювання. Світло вільно «від’єдналося» від матерії — це і є CMB. Воно досі заповнює Всесвіт і містить більшість усіх фотонів, причому його енергетична щільність перевищує сумарне світло всіх зірок.
Через розширення Всесвіту довжини хвиль цього первісного світла розтягнулися від видимого діапазону до мікрохвиль. Тепер CMB проявляється як дуже слабке фонове мікрохвильове «тепло» з температурою близько 2,7 К, яке можна зареєструвати лише радіотелескопами.
У середньому CMB майже ідеально однорідне, але містить крихітні температурні неоднорідності — «зморшки», що виникли з квантових флуктуацій енергії під час інфляції. Вони стали насінинами майбутніх скупчень речовини й залишили тонку структуру на карті мікрохвильового тла.
Поляризація та первинні гравітаційні хвилі
Окрім температури, CMB має ще одну важливу властивість — поляризацію, тобто орієнтацію електромагнітних коливань світла. Під час народження CMB фотони розсіювалися таким чином, що поляризація вийшла майже ідеально рівною.
Однак у перші миті після початку інфляції гравітаційне поле, яке формує геометрію простору-часу, за розрахунками, мало розпадатися на хвилі. Ці первинні гравітаційні хвилі — надслабкі хвилювання самого простору — мали б залишити на мікрохвильовому тлі характерний візерунок поляризації, так звані B-моди. Їх виявлення дало б потужний доказ на користь інфляції.
Поляризаційні візерунки поділяють на два типи: E-моди та B-моди. E-моди породжуються переважно флуктуаціями густини й уже давно виміряні. B-моди значно слабші; саме вони можуть містити вклад від первинних гравітаційних хвиль. Йдеться про сигнал на рівні кількох нанокельвінів на тлі 2,725 К — надзвичайно складне завдання для вимірювань.
Чому для цього потрібен Південний полюс
Радіотелескопам для спостереження CMB потрібні міліметрові й субміліметрові хвилі. Високе плато Південного полюса, дуже сухе повітря й тонка атмосфера роблять його одним із найкращих місць на Землі для таких спостережень. Район станції оголошений «радіотихою» зоною: всі бездротові пристрої там заборонені, щоб не псувати дані.
Робота там надзвичайно складна фізично. Вчені прилітають через Нову Зеландію, проходять військовими літаками на континент, далі — турбогвинтовими літаками з лижним шасі до полюса. Сухе повітря, висота й цілодобове Сонце влітку сильно збивають біологічний ритм. Зимові чергові місяцями відрізані від зовнішнього світу, підтримуючи роботу телескопів у найважчий період.
Через віддаленість і суворі умови все обладнання доводиться планувати, як для космічної місії: запасні частини не можна просто «докупити», а робота в рукавицях робить будь-яку дрібну операцію довгою й складною.
SPT, BICEP і космічні місії
Телескоп Південного полюса має дзеркало діаметром 10 м і десятки тисяч надчутливих детекторів, працює в міліметровому діапазоні та забезпечує кутову роздільну здатність на рівні кутових хвилин — подібну до людського ока, але для невидимого діапазону. Він уже пройшов кілька модернізацій: SPT-SZ, SPTpol, а нині працює камера SPT‑3G, оптимізована для широких оглядів неба та картування поляризації CMB. За допомогою SPT вже знайдено понад 7 тисяч скупчень галактик, що дає окремі підказки про темну матерію та темну енергію.
BICEP Array, розташований поруч, спеціалізується саме на пошуку B-мод великомасштабних (кут ступеня) — тих, що можуть бути викликані первинними гравітаційними хвилями. Чотири телескопи масиву мають півметрові лінзи та реєструють випромінювання у п’яти частотних діапазонах, що допомагає відокремлювати сигнал CMB від «забруднення» пилом нашої Галактики.
Космічні місії, зокрема супутник Planck, надали високоточні карти всього неба в мікрохвилях і детальну інформацію про пил у Чумацькому Шляху та структуру маси, яка викликає гравітаційне лінзування CMB. Ці дані критично важливі, щоб розділяти різні внески в поляризаційні візерунки.
Полювання на B-моди та урок BICEP2
Перші B-моди будь-якого походження були зареєстровані камерою SPTpol. Використавши дані космічної обсерваторії Herschel для побудови карти великомасштабних структур Всесвіту, команда оцінила, як гравітаційне лінзування перетворює частину E-мод у B-моди, й змогла виміряти цей компонент. Робота показала, що принципово можливо відокремити «лінзовані» B-моди від можливого первинного сигналу.
У 2014 році колаборація BICEP2 оголосила про виявлення B-мод, які інтерпретували як слід первинних гравітаційних хвиль, однак подальший аналіз за участю команди Planck виявив, що сигнал майже повністю можна пояснити поляризованим випромінюванням пилу нашої Галактики. Спільна публікація BICEP і Planck показала, що оголошений надлишок не є доказом інфляції.
Ця історія стала важливим уроком: перед оголошенням подібних результатів потрібно максимально широко залучати спільноту і перехресно перевіряти дані з іншими експериментами. Після цього всі групи посилили увагу до систематичних ефектів і розширили діапазон частот спостережень, щоб краще враховувати пил.
«Делінзинг» та звуження простору для теорій
Найбільша перешкода на шляху до первинних B-мод — саме B-моди, породжені гравітаційним лінзуванням E-мод розподілом маси у Всесвіті. Процес їхнього віднімання з даних називають делінзингом. Для цього потрібно побудувати шаблон лінзування — фактично карту маси від епохи CMB до сьогодення.
Команда SPT, використовуючи SPTpol і Herschel, змогла помітно покращити делінзинг, але перші дані все ще були занадто «шумними», щоб точно виміряти ключовий параметр — відношення тензорних до скалярних збурень r, що порівнює амплітуди первинних гравітаційних хвиль і флуктуацій густини. Прості моделі інфляції прогнозують r на рівні 0,05–0,1, складніші — менші значення.
До 2018 року комбінований аналіз наземних і космічних даних дав верхню межу r < 0,06. Оновлений розбір даних BICEP2 із залученням Planck і BICEP3 у 2021 році ще більше знизив її — до r ≈ 0,036, відсікаючи багато «класичних» варіантів інфляційних сценаріїв.
Паралельно вдосконалювався й делінзинг: у 2021 році вперше було показано, що поєднання даних SPTpol, BICEP3, масиву Keck і Planck реально зменшує невизначеність у B-модах і покращує обмеження на r. Тепер, коли інші джерела помилок зменшилися, саме коректний делінзинг стає центральним елементом аналізу.
Нові камери і швидші карти
Найновіший етап — камера SPT‑3G та масив BICEP Array, що вже працюють на полюсі. Два свіжі препринти описують, як дані SPT‑3G, у поєднанні з Planck, дозволили побудувати кращі гравітаційно-лінзувальні шаблони й уточнити карту лінзування CMB, зменшивши «шум» і систематичні похибки. Очікують, що це на третину знизить внесок лінзування в невизначеність r у майбутньому аналізі даних BICEP.
Попереду — ще потужніші модифікації BICEP Array+ та SPT‑3G+. За оцінками, оновлений комплекс матиме майже в 10 разів вищу швидкість картування, ніж нинішня камера SPT‑3G, і щонайменше в 100 разів вищу, ніж перша камера SPT двадцятирічної давності. У поєднанні з даними BICEP до 2024 року це має забезпечити набагато детальніші карти поляризації CMB.
Дослідники сподіваються, що, «розплутавши» візерунки на цій космічній ковдрі — від температурних флуктуацій до E- і B-мод та внеску галактичного пилу, — зможуть або зафіксувати відбиток первинних гравітаційних хвиль, або суттєво звузити коло правдоподібних моделей інфляції. Результати багаторічної роботи полярних телескопів уже зробили Всесвіт набагато менш «простим», ніж здавалося, і продовжують уточнювати нашу картину його найдавніших миттєвостей.