АНКа Дня: Выпуск N79

---

21.03.2006. Три года работы WMAP

(изображение с сайта Проекта WMAP)

Обработаны результаты трех лет наблюдений космического микроволнового фона на спутнике WMAP.

Появилась серия статей, посвященная результатам трехлетней работы спутника WMAP.

Спутник был запущен в июне 2001 года. Его задача - изучение космического микроволнового фона (более известного для русскоязычного читателя как "реликтовое излучение"). Реликтовое излучение несет информацию о молодости вселенной, о том времени, когда еще не было ни звезд, ни галактик. На тот момент прошло около 300 000 лет после Большого взрыва. В результате расширения вселенная остывала, становилась менее плотной, и, наконец, стала прозрачна для излучения. Сейчас мы видим сильно покрасневшие за счет космологического расширения фотоны, которые были испущены в тот судьбоносный момент. Тогда температура равнялась нескольким тысячам градусов. Сейчас же температура реликтового излучения составляет менее 3 градусов по шкале Кельвина, что соответствует тому, что вселенная растянулась более чем в 1000 раз (т.е. красное смещение для реликтового излучения немного превосходит 1000, коэффициент растяжения равен z+1, где z- красное смещение). Это соответствует микроволновому излучению. Оно было открыто в 60-е гг. Пензиасом и Вилсоном. С тех пор, данные по реликтовому фону являются одним из столпов наблюдательной космологии. За открытие реликта в 1978 г. Вилсон и Пензиас получили Нобелевскую премию по физике.

Температура космического микроволнового излучения распределена по небу неоднородно (на рисунке синие области соответствуют температуре ниже средней, а красные - выше средней). Из данных по этим "шероховатостям" можно получить важнейшие данные о нашей Вселенной. Поэтому астрономы создают все новые и новые приборы для уточнения данных и получения новых. Чтобы получить полную карту реликтового излучения необходимо проводить наблюдения из космоса. Летало уже два специализированных спутника: российсий "Реликт" и американский COBE. Кроме того, существует множество более дешевых наземных (или балонных, т.е. запускаемых на воздушных шарах) экспериментов, которые наблюдают лишь "уголочек неба", а не всю небесную сферу. На сегодняшний день именно спутник WMAP является самым-самым.

Как видно, три года работы закончились не сегодня. Результаты по первому году работы были опубликованы более 3 лет назад! Достаточно долго (дольше чем ожидалось) шла обработка новых данных. Дело в том, что выделить крохотные "шероховатости" на уровне примерно 0.001 процента, очень трудно. Ведь в микроволновом диапазоне есть не только реликтовое излучение. В первую очередь "мешает" наша Галактика (есть много источников, испускающих микроволновое излучение). Затем, надо вычесть вклад "лишних" внегалактических источников. И только после такого "просеивания" можно получить золотые крупицы данных о ранней вселенной.

Что мы имеем? Самый главный вывод: сенсации не произошло. Авторы работы качественно подтверждают результаты, полученные после обработки одного года наблюдений. Уточнены значения параметров в стандартной модели. Разумеется, уменьшились неопределенности и ошибки (отмечу, однако, что в космологии, и не только, набор параметров является в некотором смысле модельно зависимым; т.е., в начале вы выбираете модель, а потом в ее рамках определяете параметры).

Одно из важных уточнений связано с тем, что эпоху реионизации приблизили к нам. Начальная неопределенность в красном смещении, соответствующем этой эпохе, z=10-30 свелась к z порядка 10. Теперь, объяснить реионизацию гораздо проще, т.к. создать достаточное количество источников на больших z достаточно тяжело, а на z=10 уже явно должны быть первые звезды и квазары.

Главное новое: получены данные по поляризации реликтового излучения (на рисунке белые линии соответствуют данным по поляризации). Напомню, что неполяризованный свет характеризуется тем, что направления векторов, например, электрического поля электро-магнитных волн изменяются хаотически (речь идет о потоке излучения, состоящем из большого числа волн; строго монохроматическое излучение всегда поляризовано). Говорят о двух типах поляризации: линейной и круговой. В первом случае, вектор, например, электрического поля сохраняет свою ориентацию в пространстве. Во втором, он вращается вокруг направления распространения волны с угловой скоростью, равной частоте волны (см. подробности здесь).

Поляризация реликтового излучения была предсказана Мартином Рисом (Rees) вскоре после открытия самомго излучения, в конце 60-х гг. Приятно отметить, что ключевой статьей по этой тематике является работа работа советских ученых Баско и Полнарева, опубликованная в 1980 г. Впервые о наблюдениях поляризации реликтового излучения заявила несколько лет назад группа из Чикаго. Почему же возникает поляризация реликта? Если бы свет просто "отделился от вещества" в отсутствии анизотропии, то изначально неполяризованное излучение таким бы и осталось. Не так, если есть возмущения плотности, скорости вещества и метрики. Анализ позволяет выделить вклад различных эффектов в наблюдаемую поляризацию (на русском языке об этом можно подробно почитать в книге Насельского и др. "Реликтовое излучение Вселенной", а более кратко и популярно в книге Сажина "Современная космология в кратком изложении"; о возникновении поляризации излучения от астрономических источников, но без приложения к реликтовому излучению, можно почитать здесь). Важно, что по данным о поляризации можно разделить вклад первичных возмущений плотности вещества и первичных гравитационных волн.

Существуют разные методы визуализации поля поляризации. Обычно поляризация показывается отрезками, ориентация которых соответствует ориентации плоскости поляризации, а длина - величине (или логарифму величины) одного из параметров, характеризующих поляризацию. Описание выбранного метода в любом случае достаточно сложно. Поэтому размещенные в сети картинки с белыми линиями по всей видимости останутся для широкой публики достаточно малоинформативными. Придется полагаться на словесное описание.

При анализе поляризации фонового излучения также пришлось долго бороться с помехами. Кроме всех обычных для реликта "лишних" источников, возникла необходимость побороть вклад поляризации, возникший в эпоху реионизации. Это момент времени, соответствующий примерно красному смещению z=10, когда возникшие источники (первые звезды или первые активные ядра галактик, пока точно не известно) разогрели вещество во Вселенной и, т.о., снова его ионизовали.

Изучение поляризации космического фонового излучения позволяет, в частности, сделать важные ограничения на инфляционные модели. Дело в том, что поляризация реликта позволяет оценить вклад гравитационных волн, которые были сгенерированы в очень ранней вселенной. Разные модели инфляции дают разный вклад. Данные трех лет работы WMAP дают серьезный верхний предел на плотность гравитационных волн. Некоторые теории предсказывали больший вклад реликтовых гравитационных волн, чем имеющийся верхний предел. Соответственно, такие теории могут быть отброшены. Тем не менее, до окончательного выбора теории (да и вообще, до окончательного подтверждения существования стадии инфляции или, наоборот, ее "закрытия") еще далеко. Что-то дадут дальнейшие наблюдений на WMAP, что-то - эксперименты на воздушных шарах или наземные наблюдения. Но существенный прорыв ожидается только с запуском спутника следующего поколения. Это будет европейский аппарат Planck.

Опубликовано на сайте Элементы.Ру