Прорыв за край мира

35. Последний штрих

Структуру нынешней Вселенной дали ничтожные квантовые флуктуации метрики, имевшие место на стадии инфляции. Но эти флуктуации образовали не только неоднородности плотности, они же родили реликтовые гравитационные волны, которые тоже растягивались инфляционным «конвейером», тоже имеют изначально плоский спектр и существуют и поныне как реликт ранней Вселенной. В отличие от микроволнового излучения, являющегося реликтом эпохи рекомбинации, имевшей место спустя 380 тыс. лет после Большого взрыва, гравитационные волны — прямой реликт эпохи космологической инфляции, развернувшейся за 10^-35 с до Большого взрыва.

Амплитуда этих волн слишком мала, чтобы их можно было зарегистрировать рукотворными детекторами. Но тут на помощь опять приходит тот самый барьер, который закрывает от нас раннюю Вселенную, — плазма эпохи рекомбинации. Она и играет роль детектора, «записывая» результат в том же реликтовом излучении, которое принесло нам остальную информацию. Конкретно, гравитационные волны можно увидеть двумя способами: в поляризации реликтового излучения и в угловом спектре мощности его анизотропии, показанном на рис. 32.1. Первый способ более прямой, с него и начнем.

Поляризация реликтового излучения — довольно тривиальная вещь. Она возникает при последнем комптоновском рассеянии фотонов на электронах: у фотона появляется линейная поляризация, перпендикулярная плоскости рассеяния. Если среда однородна и не движется, никакой поляризации нет — всё замывается, нет выделенного направления. Но среда, как мы видим по карте реликтового излучения, неоднородна и участвует в сложных движениях. И поляризация, как мы видим, тоже есть: WMAP ее прекрасно чувствует. Но причем здесь гравитационные волны?

Оказывается, гравитационные волны дают другую картину поляризации, нежели обыкновенные неоднородности. Их вклад можно отличить и выделить. Грубо говоря, так:

_{Рис. 35.1. Ограничения, поставленные экспериментом WMAP на амплитуду реликтовых гравитационных волн. По горизонтали — наклон степенного спектра первичных возмущений, который закладывается в теорию. По вертикали — отношение мощности тензорных возмущений (гравитационных волн) к мощности скалярных возмущений, традиционно обозначаемое как r. Красным показана область согласия с экспериментом на уровне 1σ, розовым — 2σ. Точками, соединенными пунктирами, показаны разные модели инфляции. Нижняя (обозначенная как R²) — модель Старобинского. Число N означает число растяжений пространства в е раз от момента, когда данный участок спектра сгенерировался в результате квантовых флуктуаций, до конца инфляции (см. рис. 27.2)}

Картинка поляризации на небе выражается полем черточек, имеющих направление и длину. Такое поле может выглядеть как электрическое — может быть представлено как результат статического распределения зарядов. А может выглядеть как магнитное, наведенное статическим распределением токов. Эти поля четко различаются на языке дифференциальной геометрии. Первый тип поля называется Е-модой, второй В-модой. Любое произвольное поле поляризации можно разложить на Е и В составляющие. Оказывается, что В-моду могут дать только гравитационные волны, но никак не неоднородности плазмы и их акустические колебания. Некоторый вклад в В-моду в области высоких мультиполей (малых угловых масштабов) может дать гравитационное линзирование поляризованного реликтового излучения. Пока на карте поляризации существующих экспериментов видна только Е-мода. Лучшее ограничение на В-моду получено с помощью наземного микроволнового телескопа BICEP (на Южном полюсе): предел на отношение спектров мощности гравитационных волн и скалярных неоднородностей плотности r < 0,78 (на уровне достоверность 95%).