Космический телескоп «Планк»: первые результаты
В марте 2013 года были представлены результаты первых полутора лет наблюдений космического телескопа «Планк». Они подтверждают стандартную космическую модель и позволяют глубже понять раннюю фазу Вселенной.
Открытое в 1964 году Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном, космическое фоновое излучение имеет температуру около -270 градусов по Цельсию и одинаково во всех направлениях на небе. Однако в начале 1990-х спутник COBE (Cosmic Background Explorer) обнаружил колебания этой температуры в несколько миллионных долей градуса. Это было подтверждено наземными наблюдениями и, в течение последнего десятилетия, спутником НАСА WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).
Космический телескоп Planck Европейского космического агентства ESA, который был направлен в точку Лагранжа L2 в 2009 году, теперь с беспрецедентной точностью измерил эти пространственные колебания температуры. L2 находится за пределами земной орбиты примерно в 1,5 миллионах километров от Земли. Измерения проводились на девяти частотах в диапазоне от 25 до 1000 гигагерц с использованием 74 детекторов в двух приборах, низкочастотном и высокочастотном. Их разрешение на небе составляет от 5 до 30 угловых минут. Относительно большой частотный диапазон телескопа Планк позволяет точно понять «мешающие сигналы», которые исходят, среди прочего, от излучений нашего Млечного Пути, и, таким образом, с высокой точностью измерить космическое фоновое излучение. Их происхождение - «послесвечение» излучения, которое присутствовало во время Большого Взрыва. Из-за расширения Вселенной это излучение остыло до сегодняшнего значения -270 градусов по Цельсию - около 3 градусов Кельвина.
В течение первых 380 000 лет после Большого взрыва излучение было связано с материей. Только по прошествии этого времени Вселенная стала прозрачной, чтобы излучение могло беспрепятственно распространяться. До сих пор флуктуации плотности, возникшие в самые ранние моменты существования Вселенной, распространялись подобно звуковым волнам. Эти возмущения проявляются в виде флуктуаций температуры и поляризации космического фонового излучения, которые подробно наблюдались с помощью Планка.
Космологи многое узнают о природе и начальных условиях Вселенной, анализируя высшие гармонические порядки этих возмущений. Эта процедура аналогична процедуре производителя инструментов, который делает выводы о состоянии инструмента посредством анализа гармонии. Поскольку Планк очень точно измеряет эти гармонии, можно сделать очень точные утверждения о лежащей в их основе космологической модели. Ошибки находятся только в низком процентном диапазоне. Измерения с Планком показывают, что Вселенная состоит из 4,9% обычной материи, 26,8% темной материи и 68,3% темной энергии. В этом отношении Планк подтвердил нашу Стандартную модель Вселенной, даже если доля темной энергии теперь несколько меньше, чем предполагалось ранее в результате планковских измерений. При 67,15 ± 1,2 километрах в секунду и мегапарсеках параметр Хаббла, описывающий локальную скорость расширения Вселенной, значительно меньше предыдущего стандартного значения 74,3 ± 1,2, полученного по данным инфракрасного спутника Spitzer. Измерения дают возраст Вселенной в 13,82 миллиарда лет.
Ранняя Вселенная
Точные данные Планка позволяют изучать даже самые ранние моменты Вселенной. В течение первых долей секунды после большого взрыва, по общепринятому представлению, пространство взорвалось - инфляционно - раздулось. Вся видимая сегодня Вселенная должна была возникнуть из области пространства меньше атомного ядра. Большинство космологов верят в это нелепое событие, потому что такая инфляционная фаза Вселенной может объяснить ряд малопонятных наблюдений.
Первое наблюдение - удивительная плоскостность пространства, подтвержденная Планком. На самом деле, согласно общей теории относительности, его кривизна должна увеличиваться. Однако, если сегодня пространство кажется плоским, оно должно было быть гораздо более плоским в прошлом. Только во время инфляционной фазы неровности могут быть сглажены до такой степени, что сегодня от них ничего не останется.
Второе наблюдение - единообразие Вселенной. Плотность материи везде примерно одинакова: Вселенная статистически однородна. За исключением небольших флуктуаций, космический микроволновый фон чрезвычайно изотропен. Никакое место или направление во вселенной, кажется, не различаются. Это единообразие особенно удивительно, если учесть, что во вселенной без инфляции многие из подобных мест, возможно, никогда не находились в физическом контакте. Для иллюстрации возьмем два противоположных места, где мы измеряем микроволновый фон. Их свет и любой другой дальнобойный эффект проходит мимо нас сегодня, но еще долго будет в пути, чтобы достичь соответствующего противоположного места. Но если инфляционная фаза была в самом начале, то вполне возможно, что эти два места сначала соприкасались, прежде чем их разорвала инфляция.
Третье наблюдение касается наличия небольших флуктуаций температуры, которые мы наблюдаем на микроволновом фоне. Они соответствуют флуктуациям плотности, из которых возникли сегодняшние галактики. Теория инфляции дает естественное объяснение этим колебаниям. Таким образом, квантовые флуктуации в энергетическом поле, вызывающие инфляцию, сохранялись во время инфляции благодаря быстрому расширению.
Таким образом, несмотря на некоторые веские причины для инфляции, такую спекулятивную концепцию необходимо изучить. Существуют также альтернативные модели, такие как теория циклической Вселенной, согласно которой наша нынешняя Вселенная имела одного или нескольких предшественников, которые сжимались, а затем снова расширялись. Планк позволяет проверить теорию инфляции и другие сценарии. Прогнозирование более простых и, следовательно, более естественных сценариев инфляции предполагает характерное соотношение колебаний на больших и малых масштабах. Это должно быть близко к равномерному распределению, но немного благоприятствовать большим масштабам. Планк считает, что именно такое распределение является значимым.
Новые данные совместимы с простыми моделями инфляции, но имеют тенденцию исключать циклические вселенные.
Кроме того, различные сценарии предсказывают характерное отклонение флуктуаций температуры в микроволновом небе от нормального или гауссовского распределения. Такая «негауссовость» была обнаружена WMAP с такой силой, что простые инфляционные сценарии кажутся исключенными. Эти данные соответствовали бы более сложным инфляционным сценариям, как и сценариям циклической Вселенной. Планк пересматривает эту картину, накладывая четкие и довольно небольшие ограничения на эту негауссовость, которые хорошо совместимы со сценариями простой инфляции, но, по-видимому, исключают циклические вселенные. Еще одним предсказанием теории инфляции является возбуждение гравитационных волн. Текущие данные Планка указывают на верхний предел их возбуждения, который как раз совместим с предсказаниями простых моделей инфляции. Так что будет интересно, когда будут опубликованы данные о полной продолжительности миссии. Пока еще неопубликованные данные о поляризации от Planck также могут быть использованы для непосредственного поиска признаков первичных гравитационных волн.
Аномалии
Несмотря на большое подтверждение Стандартной модели космологии и прогнозов инфляции, в данных есть некоторые аномалии. Некоторые из них уже были известны благодаря WMAP, но теперь Планк развеял все сомнения, что это могут быть инструментальные эффекты. В больших угловых масштабах отсутствует около десяти процентов величины флуктуаций, предсказанных экстраполяцией из меньших масштабов в контексте Стандартной модели. Тогда сила колебаний показывает некоторую полушарную асимметрию, что означает, что они немного сильнее на одной стороне неба, чем на другой. Это может быть признаком неизотропной Вселенной, где расширение в разных направлениях немного отличается, или это может быть просто статистическая флуктуация. Более того, уже известное по данным WMAP холодное пятно также было замечено Планком, и оно было даже больше, чем раньше. Такое слишком холодное место такого размера очень маловероятно в современной космологической модели, но не совсем невозможно. Это холодное пятно также может быть признаком новой, ранее не рассмотренной физики. Например, таким образом может проявляться дефект в структуре физического поля частицы. Или Холодное пятно и некоторые другие аномалии просто связаны с тем, что данные Планка были подвергнуты такой обширной проверке, что некоторые экзотические и невероятные явления не так уж и удивительны.
Благодаря Планку природа нашей Вселенной теперь может быть исследована с гораздо большей точностью. И мы, возможно, получили ключи к новым космологическим явлениям. Теперь с нетерпением ждут оценки поляризационных данных от Planck. Это позволит сделать дальнейшие выводы о моделях самой ранней Вселенной. Публикация этих результатов ожидается весной 2014 года.