Кубанский государственный технологический университет

Опубликованы результаты трех лет работы спутника WMAP

02-10-2011
Карта анизотропии температуры реликтового излучения с наложенными данными по его поляризации. Данные получены по итогам трехлетней работы спутника WMAP (изображение с сайта Проекта WMAP)

Появилась серия статей, посвященная результатам трех лет наблюдений космического микроволнового фона на спутнике WMAP. В целом, подтверждены предыдущие результаты, полученные на этом аппарате. Уточнены основные космологические параметры. Из новых результатов главное то, что удалось получить данные по поляризации реликтового излучения, а также уточнить время эпохи реионизации. Оно соответствует красному смещению z = 10, что меньше оценки, полученной три года назад.

Спутник WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 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 периоде 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. Это случилось из-за рекомбинации, т. е. вещество из ионизованного стало в основном нейтральным: электроны и ядра атомов (в основном водорода и гелия) объединились. Из-за непрозрачности Вселенной нельзя зарегистрировать свет, испущенный до момента рекомбинации.

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). Температура порядка 3 К соответствует микроволновому излучению. Оно было открыто в 60-е годы А. Пензиасом и Р. Вильсоном. С тех пор данные по реликтовому фону стали одним из столпов наблюдательной космологии. За открытие реликта в 1978 году Вильсон 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). По этим «шероховатостям» можно получить важнейшие данные о нашей Вселенной: каковы вклады темной энергии, темного и обычного барионного вещества в общую плотность Вселенной, чему равна постоянная Хаббла, каков был спектр начальных неоднородностей, из которых потом сформировались все структуры, и т. д. Поэтому астрономы создают всё новые и новые приборы для уточнения старых данных и получения новых.

Чтобы получить полную карту реликтового излучения необходимо проводить наблюдения из космоса. В начале 90-х годов летало уже два специализированных спутника: российский «Прогноз-9» (эксперимент «Реликт», 1983-84 гг.) и американский COBE (Cosmic Background Explorer, 1989-93 гг.). 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: самым современным, самым эффективным и т. д. Соответственно, именно его результаты особенно важны для космологии.

Легко посчитать, что три года работы WMAP 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%, 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 обеих работ качественно подтверждают результаты, полученные после обработки одного года наблюдений. Уточнены значения параметров Стандартной модели. Разумеется, уменьшились неопределенности и ошибки. (Отмечу, однако, что в космологии, и не только, набор параметров является в некотором смысле модельно зависимым — то есть вначале вы выбираете модель, а потом в ее рамках определяете параметры. Разумеется, данные позволяют оценить и пригодность модели.) Подтверждено, что доля барионного вещества во Вселенной составляет около 4%. Постоянная Хаббла равна примерно 73 км/с/Мпк.

Одно из важных уточнений связано с тем, что эпоха реионизации приблизилась к нам. Начальная неопределенность в красном смещении, соответствующем этой эпохе (z = 10-30), свелась к z порядка 10. Теперь объяснить реионизацию гораздо проще, так как образоваться достаточному количеству 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). Неполяризованный свет характеризуется тем, что направления векторов, например, электрического поля электромагнитных 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 (Martin Rees) вскоре после открытия самого излучения, в конце 60-х годов. Приятно отметить, что ключевой работой по этой тематике стала статья советских ученых Баско и Полнарева, опубликованная в 1980 году. 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 отсутствие анизотропии, то изначально неполяризованное излучение таким бы и осталось. Не так происходит, 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 П. Насельского и др. «Реликтовое излучение Вселенной», а более кратко и популярно — в книге М. 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 интернете 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, таким образом, 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. В разных инфляционных моделях этот вклад разный. 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 добавят дальнейшие наблюдения 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.

Источники: 1) D.N. Spergel et al. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Three Year Results: Implications for Cosmology // astro-ph/0603449. 2) L. Page et al. Three Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Polarization Analysis // astro-ph/0603450.

Сергей Попов

См. также: Игорь Иванов, Астрофизики в недоумении: у Вселенной, похоже, есть выделенная ось — «Элементы», 19.08.2005. ‹‹