Исследователи используют телескопы на Южном полюсе и космические обсерватории, чтобы изучать реликтовое микроволновое излучение — свет, сохранившийся с ранних этапов истории Вселенной. Особый интерес представляют B-моды в поляризации этого излучения: их обнаружение стало бы сильным аргументом в пользу космической инфляции и помогло бы проверить модели первых мгновений после Большого взрыва.
От инфляции к реликтовому излучению
Согласно теории, в первые доли секунды Вселенная пережила чрезвычайно быстрое расширение — инфляцию. За это время область, которая была меньше протона, могла вырасти до размеров порядка мраморного шарика. Квантовые флуктуации энергии при этом должны были превратиться в небольшие неоднородности плотности и температуры ранней Вселенной.
Примерно через 380 000 лет после начала этого этапа образовались первые атомы, и свет смог свободно распространяться. Сегодня это излучение наблюдается преимущественно в микроволновом диапазоне: из-за расширения Вселенной его первоначальные длины волн растянулись. Температура реликтового фона составляет около 3 K, но на этом почти однородном фоне заметны очень слабые вариации.
Поляризация реликтового излучения также содержит информацию о ранней Вселенной. Ожидается, что первичные гравитационные волны, возникшие во время инфляции, оставили бы в ней характерный рисунок — B-моды. По словам физика Калифорнийского технологического института Кимми Ву, их обнаружение показало бы, что гравитация действовала уже в самые ранние моменты, когда Вселенная находилась в квантовом состоянии.
Почему наблюдения ведут в Антарктиде
Южный полюс подходит для таких измерений благодаря большой высоте, сухому воздуху и малому количеству атмосферных помех. Международное научное сообщество объявило этот район «радиотихой» зоной, чтобы сохранить его пригодность для радиоастрономии. Однако обслуживание оборудования осложняют экстремальный холод, низкая влажность, снег и удалённость станции: доставить нужную деталь быстро невозможно.
South Pole Telescope имеет зеркало диаметром 10 м и десятки тысяч сверхчувствительных детекторов. Сейчас он работает с камерой SPT-3G, предназначенной для обзора больших участков неба и составления карт поляризации реликтового излучения. Неподалёку расположены телескопы BICEP3 и BICEP Array, которые специально изучают небольшие области неба в поисках сигнала первичных гравитационных волн.
Для отделения слабого космологического сигнала от помех учёные объединяют данные наземных инструментов с наблюдениями космического телескопа Planck Европейского космического агентства. Он, в частности, помог изучить пыль Млечного Пути, которая может имитировать особенности поляризации реликтового фона.
B-моды слабее температурных неоднородностей и E-мод, поэтому исследователям приходится измерять изменения всего в несколько нанокельвинов на фоне температуры 2,725 K. Если такой сигнал удастся надёжно обнаружить, он станет важным подтверждением инфляционной модели. Если же B-моды первичных гравитационных волн не найдут, это позволит исключить некоторые варианты инфляции и пересмотреть представления о происхождении Вселенной.
