Как изучить первые наносекунды истоии Вселенной?

Как изучить первые наносекунды истории Вселенной?

Телескопы – это машины времени. Эта параллель проводится постоянно, и она действительно удачна. Свет движется с конечной скоростью, и чем дальше мы заглядываем в космос, тем старше то, что мы видим. Самый древний свет, который мы можем разглядеть, называется реликтовым излучением, и он относится к тому периоду истории Вселенной, когда ей было около 400000 лет. Это по-настоящему великолепно и внушает уважение к тем учёным, что изобрели средства наблюдения за ним, но всё это также означает, что около четырёх сотен тысяч лет истории космоса не могут быть изучены традиционными методами. Именно поэтому исследователи, чтобы заглянуть ещё глубже, стараются найти способы, которые не используют свет. И к счастью как для них, так и для простых любителей астрономии, существуют волны, способные показать нам Вселенную, когда её было менее секунды от роду. Гравитационные. 

Первичные гравитационные волны

Альберт Эйнштейн около ста лет назад доказал, что масса искривляет структуру пространства-времени – приблизительно как арбуз, помещённый на натянутую простыню. Но он показал также, что ускоряющаяся масса вызывает в пространстве космоса рябь, похожую на круги на поверхности пруда. Впервые гравитационные волны были обнаружены в 2015 году – благодаря паре сливающихся черных дыр. Однако чисто теоретически подобные возмущения в космосе могут вызываться многими событиями. И если мы уже начали представлять пространственно-временной континуум как поверхность пруда, то все эти явления подобны каплям дождя, чьи гравитационные волны накладываются друг на друга, создавая что-то вроде радиопомех.

Гравитационные волны

Теоретически этот шум можно разделить на составляющие, чтобы изучить то или иное событие. Однако гораздо интереснее то, что под всем этим “гулом” могут находиться другие гравитационные волны – настолько древние, что старше их ничего не может быть в принципе. И они могли бы поведать нам о рождении Вселенной как таковой. Это так называемые первичные гравитационные волны. 

Их предлагается искать в нескольких “источниках”. По мнению многих космологов, некоторые из них были порождены в результате образования и слияния первичных черных дыр, которые, кстати, до сих пор относятся к категории гипотетических. Эти объекты похожи на обычных, ныне существующих своих сородичей, однако менее массивны, и возникали, вероятно, из “карманов” сверхплотной материи. Другие первичные гравитационные волны могли быть порождены в результате образования различных частиц по мере остывания Вселенной. Однако самые заметные из них были бы вызваны не той или иной материей, а созданы пространством как таковым.

Они являются порождением опять-таки гипотетического периода истории Вселенной, который называется инфляцией. Это микроскопическая, неуловимая доля секунды, когда, по мнению большинства космологов, Вселенная расширялась быстрее скорости света. Информация к сведению – это никак не нарушает закон, говорящий о том, что ничто не способно двигаться столь быстро, так как данное правило относится только к материи в пространстве, а не к самому пространству. Как бы то ни было, инфляция всё ещё широко открыта для толкований и попыток понимания. Альтернативные интерпретации выдвигаются в последнее время весьма активно.

Во всех этих теориях описываются и обычные гравитационные волны, но именно первичные способны предоставить информацию о том, что тогда произошло на самом деле. Например, учёные могли бы измерить их амплитуду – это показало бы, насколько быстро всё расширялось, то количество энергии, что участвовало в инфляции, а также продолжительность всего процесса. А с помощью других методов можно бы было узнать, насколько последовательна была инфляция в рамках всей Вселенной. 

LIGO, LISA и пульсары

Анимация работы LISA

Естественно, чтобы что-то измерить, нужно для начала научиться обнаруживать эти волны. Вариантов здесь несколько. Во-первых, есть косвенный метод, предполагающий изучение реликтового микроволнового излучения. Гравитационные волны, которые старше его, должны влиять на то, как оно выглядит. В частности, они демонстрировали бы некоторое спиральное искажение света, которое космологи называют “B-мода поляризацией“. Учёные уже научились видеть другой вид поляризации реликтового излучения, “Е-моду”, так что, возможно, со временем дойдут и до него. Однако это будет крайне непросто, так как B-мода поляризация – это гораздо более слабый эффект, к тому же похожие сигналы могут генерироваться посторонними явлениями, например, пылью, находящейся внутри Млечного Пути.

Ещё одна возможность заключается в том, чтобы попытаться обнаружить первичные гравитационные волны непосредственно, используя оборудование, похожее на то, что помогло в 2015 году засечь волны от слияния двух чёрных дыр. Сегодня в этих целях в основном применяются интерферометры, вроде того же “LIGO“. К сожалению, ни один из существующих на нынешний момент времени не обладает достаточной чувствительностью, чтобы засечь первичные гравитационные волны.

Космический аппарат LISA Pathfinder

Тем не менее, таковые проектируются. Самые большие надежды возлагаются на интерферометр LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Он будет состоять из трех космических аппаратов, расположенных треугольником, и разделенных миллионами километров пространства. Вывод этого комплекса за пределы орбиты Земли запланирован на 2034 год. 

Ещё один метод прямого обнаружения первичных гравитационных волн связан с пульсарами – очень плотными и крайне быстро вращающимися небесными телами. Они испускают пучки излучения, попадающие на Землю через строго определенные промежутки времени. Однако если искомая волна окажется на пути этого луча, этот интервал изменится. И исследователи надеются, что некоторые параметры сбившегося сигнала укажут на то, когда она образовалась – не так давно или в первую секунду существования Вселенной. Тем не менее, препятствий хватает и здесь – пульсары известны своей предсказуемостью, но есть и другие факторы, которые могут повлиять на скорость их вращения. И исследователям потребуется время, чтобы выработать модель, которая позволит использовать пульсары с достаточной степенью надёжности.

Однако все эти усилия окупятся сторицей, когда мы всё-таки научимся улавливать и измерять первичные волны. Это будет огромный прорыв для астрономии. Мы сможем заглянуть в прошлое так далеко, как не заглядывали никогда, и насколько это вообще возможно. И чем больше будет подобной информации, тем ближе мы подойдём к пониманию того, как появилась та Вселенная, в которой мы живём.

Поделиться ссылкой:

А Вы смотрели:  Гравитационные волны
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector