С 90-х годов были проведены многие весьма успешные эксперименты по исследованию реликтового фона в микроволновом диапазоне, которые сделали нашу модель Вселенной более правдоподобной. Какие успехи обещает нам еще более дорогостоящая миссия ПЛАНК?

Рис.1. ГЕРШЕЛЬ и ПЛАНК размещены в ракете "Ариан-5" и готовы к старту. Вскоре после запуска они продолжат свой путь уже раздельно.

Еще три десятилетия назад состояние космологии определялось совсем просто: "идей много, данных мало". С тех пор ситуация драматически изменилась, в особенности, благодаря ряду экспериментов, направленных на исследование свойств космического микроволнового фона (Cosmic Background Radiation, CMB). Микроволновый фон - самое раннее непосредственно наблюдаемое свидетельство рождения Вселенной - его существование и его наблюдаемые свойства образуют краеугольный камень нашей современной картины Мира. После случайного открытия реликтового фона и первого измерения его температуры Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном в 1965 году следующие шаги состояли в попытках получения карты распределения температур СМВ на небе. Их вариации оказались очень небольшими. Ранние попытки измерить их оказывались неудачными, как из-за слабой чувствительности имевшейся аппаратуры, так и из-за влияния многочисленных мешающих факторов.

После улучшения инструментальной чувствительности эксперименты с борта самолета в 1970-х годах привели к открытию дипольной компоненты СМВ, амплитуда которой составляла тысячную часть от средней температуры. В начале 1990-х с помощью спутника NASA СОВЕ было, во-первых, получено точное измерение спектра фонового излучения, во-вторых, открыта слабая анизотропия на уровне 10-5 от средней температуры. Оба прорыва потребовали измерения сигналов на два-три порядка более слабых, чем в предыдущих экспериментах. Успехи эксперимента СОВЕ, как и открытие реликтового фона, были отмечены в 2006 году Нобелевской премией.
После СОВЕ развитие техники в этой области исследований дало мощный толчок. В десятках наземных или баллонных экспериментов были улучшены все аспекты измерений, особенно, чувствительность, угловое разрешение и контроль систематических эффектов. Несмотря на это, космические эксперименты играют особую роль. На наблюдения из космоса не влияют ни атмосферные эффекты, ни излучение поверхности Земли, они обнаруживают превосходную температурную стабильность и позволяют за большое время действия миссии покрыть все небо. Поэтому космические проекты, несмотря на их сложность и высокую стоимость, остаются актуальными, и научное сообщество прикладывает к ним огромные усилия и ожидает уникальных результатов. Спутниковый эксперимент NASA WMAP, данные с которого оперативно публикуются с 2003 года, является ориентиром, с которым сравниваются все последующие эксперименты по реликту.

Миссия ПЛАНК была разработана вскоре после публикации данных СОВЕ - совместно с Европейским космическим агентством (ЕКА), американским агентством NASA и многими другими научными сообществами Европы и Северной Америки. Как последователь СОВЕ и WMAP, ПЛАНК представляет собой новое поколение космических исследований в этой области и призван оправдать большие ожидания пилотного эксперимента в этой, тщательно продуманной и, в то же время, стремительно развивающейся области исследований. Миссия названа по имени физика Макса Планка (1858-1957), которому впервые удалось определить спектр теплового излучения, заложив тем самым основы квантовой физики. Спектр космического реликтового излучения - как нельзя лучший пример для планковского закона излучения.

В этой первой части статьи мы опишем, какие измерения должен провести ПЛАНК, какое значение они будут иметь для космологии и астрофизики и какие технологические достижения и разработки, как в части аппаратуры, так и в обработке данных необходимы для достижения поставленных целей.

Наше современное понимание Вселенной основывается на фундаментальном астрономическом открытии Эдвина Хаббла 1929 года, что далекие галактики разбегаются со скоростью, пропорциональной их расстоянию друг от друга. Все более точные и чувствительные наблюдения, проведенные за последние десятилетия, подтвердили этот закон. Вселенная, как целое, расширяется, растягивается. Вследствие этого в далеком прошлом вся ее материя должна быть в гораздо более горячем и плотном состоянии, чем в нашем окружении сейчас. Замечательное следствие этого факта состоит в том, что должно быть возможным увидеть картину Вселенной в ее горячем начальном состоянии (рис.2). Это следствие того, что скорость света, хотя и огромна, но конечна: мы принимаем фотоны из прошлого, наблюдая далекие объекты. Если они приходят от Солнца, они излучены 8 минут назад, от ближайших звезд - несколько лет назад, и миллиарды лет назад - от далеких квазаров.

Рис.2. Сразу после своего возникновения в результате Большого взрыва Вселенная была непрозрачной, так как фотоны постоянно рассеивались на свободных электронах. Только примерно через 300 000 лет Вселенная настолько остыла, что электроны связались с протонами и образовали нейтральные атомы водорода (эпоха рекомбинации), и фотоны смогли беспрепятственно распространяться. Из-за взаимодействия с высокоэнергетичными частицами спектральное распределение фотонов слегка изменилось (эффект Сюняева-Зельдовича). Спутник ПЛАНК будет снимать карту реликтового излучения ("эхо Большого взрыва"), однако полезную информацию придется тщательно выделять из мешающего излучения далеких, близких галактик и нашего Млечного пути.

С другой стороны, на самом удаленном объекте мы должны со всех направлений на небе принимать фотоны, которые эмиттированы плотной и горячей Вселенной еще до того, как возникли какие-либо звезды, галактики и другие космические структуры. Они образуют поток первичных фотонов, который Арно Пензиас и Роберт Вильсон впервые наблюдали в 1964 году, как микроволновое фоновое излучение (реликт). Наряду с расширением Вселенной и первоначальной распространенностью элементов в природе оно является одной из трех основ теории Большого взрыва. Примерно до эпохи 380 000 лет после начала космической экспансии температура во Вселенной была настолько высокой, что электроны не могли длительное время быть связанными с протонами, образуя атомы водорода. Внутри этого ионизованного газа ("плазмы") фотоны не могли свободно распространяться, поскольку они, как свет в тумане, постоянно рассеивались на электронах во всех направлениях.

По мере расширения Вселенной плазма охлаждалась. При температурах ниже 10 000 Кельвинов электроны начинают объединяться с протонами в атомы. Эта "рекомбинация" почти завершилась, когда температура упала до 3000 К. Нейтральный же водород настолько прозрачен, что около 90% первичных фотонов доходят до нас без какого-либо взаимодействия, хотя и находились в пути около 14 миллиардов лет. Все-таки перед рекомбинацией фотоны так тесно были связаны с материей, что их распределение по энергиям непосредственно отражает свойства материи в тот момент времени: они в точности соответствуют спектру "черного тела", форма которого зависит только от температуры и отражает локальные температуры и плотности материи на момент "последнего рассеяния". Измерение температуры фона выдает нам характеристические свойства материи в то время.

По мере расширения Вселенной длины волн фотонов растут, а характеристические температуры чернотельного спектра падают. Коэффициент увеличения длины волны фотона со времени его излучения в точности соответствует коэффициенту расширения Вселенной с того времени. В это же число раз упала и температура, характеризующая чернотельный спектр. От этого длины волн фотонов, излученных первичным черным телом при температуре 3000 К сдвинулись к волнам в 1100 раз более длинным, и мы принимаем их как излучение черного тела при температуре 2.7 К. Измерение его спектра с помощью СОВЕ показало, что отклонение от идеального спектра черного тела составляет менее 0.01% (рис.3).

Рис.3. Измерения спутника СОВЕ показали, что спектр космического фонового излучения с высокой точностью соответствует спектру черного тела.

Реликтовое излучение является весьма однородным (рис.4а). Только если увеличить контраст карты в 1000 раз, можно увидеть, что одна сторона неба светлее другой (рис.4b). Эта асимметрия (названная диполем фона) возникает из-за движения Земли и Солнца относительно реликта, (причем малая часть этого эффекта может иметь еще и первоначальное происхождение). Нескольких сотен километров в секунду достаточно, чтобы из-за эффекта Доплера измеренные температуры черного тела в одном направлении на несколько тысячных долей градуса Кельвина повысить, а в другом - понизить. Если мы вычтем дипольную компоненту и еще более повысим контраст, то на всех угловых масштабах, от самых больших до самых малых, начнем различать пространственные структуры (рис.4с). Эта картина отражает как состояние Вселенной через 380 000 лет после Большого взрыва, так и воздействие пути, длиной в 14 миллиардов лет, который прошли фотоны со времени их последнего рассеяния на электронах в первичной плазме.

Рис.4: (а) Измерения спутника СОВЕ показали, что вездесущее реликтовое излучение весьма равномерно распределено по небу (изотропно), (в) Только после тысячекратного увеличения контраста проявляется дипольная компонента, которая отражает движение наблюдателя (Солнца) через космическое излучение, (с) Дальнейшее усиление контраста позволяет увидеть, что имеются крохотные, но различимые отклонения от гомогенной структуры.

Чтобы воспроизвести этот путь, представим группу фотонов, свободно летящих сквозь пространство после их вылета из первичной плазмы. Вначале - это фотоны видимого света с длиной волны 0.5 микрон. С течением времени космическая экспансия растягивает их длину волны, и они теряют энергию. Когда они встречают скопления галактик, с ними сталкиваются некоторые локально эмиттированные фотоны с близкой длиной волны и увеличивают их число на небольшую величину. их число на небольшую величину. Иногда некоторые фотоны теряются из-за взаимодействия с частицами, с которыми они сталкиваются. Но в совокупности это происходит на их долгом пути не часто: Вселенная поразительно пуста и прозрачна, и даже через миллиарды лет они еще несут с собой физическую информацию, которую они прихватили с собой при их последнем рассеянии на горячей первичной плазме. Когда их длины волн дорастают до нескольких миллиметров, фотоны попадают на периферию большой спиральной галактики - Млечного пути, где к их группе присоединяются еще некоторые фотоны локального микроволнового излучения.

Если фотоны после скучного путешествия длительностью почти в 14 миллиардов лет достигают нашего местопребывания на Млечном пути, они могут встретиться с весьма неожиданным объектом - полированной металлической поверхностью первичного зеркала ПЛАНКА. Тогда их жизнь закончится драматическим путем: они соберутся телескопом, накопятся и поглотятся приборами. Теперь фотоны достигли сердца ПЛАНКА - детекторов, т.е. приборов, в которых они вступают во взаимодействие с материей и производят электрические напряжения или токи, которые затем усиливаются электроникой и преобразуются в сигналы. Эти сигналы кодируются и направляются к Земле, где они награждают нас информацией о происхождении фотонов. Некоторые фотоны в процессе этого измерения теряются. Чтобы эксперимент ПЛАНК покрыл все небо, он собирает со всех направлений небесной сферы огромное число космических фотонов.

После шести месяцев полета небо будет один раз просмотрено во всех направлениях, так что для каждого детектора будет построена карта всего неба. Эти карты представляют собой существенный результат наблюдений ПЛАНКА. На их основе будут определены структуры в реликтовом фоне с беспрецедентными до сих пор чувствительностью и угловым разрешением. Самое интересное в этих структурах - маленькие пятна с характеристическим масштабом около одного градуса (вдвое больше, чем вид полной Луны с Земли), соответствующие небольшим отклонениям температур фона от среднего значения. Первая цель ПЛАНКА состоит в измерении этих крохотных пространственных структур, чтобы получить из них космологическую информацию (см. ниже "Угловой спектр мощности"). Кроме того, ПЛАНК затронет и много других областей астрофизики.

Сегодня общепринятая теория Большого взрыва говорит о том, что наша Вселенная "раздулась" из первичного поля и что флуктуации квантов в этом поле явились первопричиной больших пространственных неоднородностей, которые мы сегодня наблюдаем. Согласно этой модели современная крупномасштабная структура СМВ - это преобразованная картина флуктуаций температуры, которые имели место в первые 10^-35сек после взрыва вследствие случайных квантовых процессов. Впрочем, мелкомасштабные структуры с момента взрыва изменились существенно. Вначале сильное взаимодействие между светом и (электрически заряженной) материей препятствовало коллапсу материи под влиянием собственного притяжения, и результаты проявились в виде распространения звуковых волн в первичной плазме. Но переход от заряженной к нейтральной среде изменил ситуацию кардинальным образом (см. рис.2).

Энергия (и, соответственно, температура спектра) фотонов, испущенных после их последнего рассеяния, зависит от того, пришли они из горячих и плотных или из более холодных и разреженных областей. По этой причине картина холодных и горячих пятен, образованная акустическими волнами, оказалась вмороженной в микроволновый фон. В то же время, материя при рекомбинации освободилась от давления излучения, которое до этого препятствовало сжатию плотных сгустков из-за тяготения. Под действием гравитации плотные области преобразовались в звезды и Галактики. Фактически флуктуаций температуры в микроволновом фоне в 10^-5 от среднего значения достаточно, чтобы объяснить возникновение наблюдаемых сегодня крупномасштабных структур в Космосе.

Небольшие колебания в реликтовом фоне отражают физику звука в первичной плазме незадолго до рекомбинации. Они показывают характеристическую картину, предсказанную теоретической космологией: горячие и холодные пятна имеют характеристические размеры и удовлетворяют определенным соотношениям. Эти анизотропии в реликтовом фоне можно использовать для точного определения возраста, состава и геометрии Вселенной, проверки теории ее происхождения, а также выяснения сути мистической Темной энергии, обусловливающей, как полагают, ускоренное расширение Вселенной, открытое лет десять тому назад. Этот процесс аналогичен попытке реконструировать устройство музыкального инструмента, тщательно изучая его звучание, раз уж Вселенная оказывается таким, в высшей степени, интересным инструментом, звучание которого сопровождается некоторыми особыми диссонансами, требующими объяснения. Сравнивая амплитуды гармоник с основным сигналом, космологи выяснили, что акустические волны в ранней Вселенной возникли в результате единственной короткой вспышки, а не в течение какого-то определенного времени. Частоты волн, которые мы сегодня наблюдаем, выглядят как у сильно поврежденного камертона, как какофония, которая возникает от непрерывных ударов крышкой по кастрюле. Это, бесспорно, сдвигает происхождение колебаний в очень раннюю Вселенную, в которой правили законы субатомной физики.

Но что вызвало эти колебания, этого мы не знаем, и, в частности, потому, что есть много моделей, которые нужно привести в соответствие с современными данными. Эти модели предсказывают колебания, амплитуды и частоты которых, отличаются незначительно; одни предпочитают низкие, другие высокие тона. Измерением более высоких гармоник с беспрецедентно высокой точностью ПЛАНК получит возможность закрыть часть еще действующих моделей и дать доказательства на то, какая физика работала в первые миллиардные доли секунды после Большого взрыва. Из спектра микроволнового фона космологи могут также рассчитать форму и состав Вселенной. Теоретически предсказывая пространственные частоты анизотропии и наблюдая их угловые размеры на небе, мы можем оценить, какое расстояние преодолело излучение реликта, прежде чем достигло Земли. Точно зная треугольник, одна вершина которого - это мы, а две другие образованы двумя соседними пиками акустической волны, мы можем проверить, дают ли углы в сумме 180^о и, тем самым, провести классическое измерение кривизны пространства, предложенное Гауссом 200 лет назад.

В конце 90-х годов прошлого столетия такие измерения показали, что пространство подчиняется законам Эвклидовой геометрии. Так как Общая Теория Относительности Эйнштейна предсказывает, что геометрия пространства зависит от плотности, содержащейся в нем, материи, мы делаем вывод, что средняя плотность энергии в нем находится вблизи, так называемого, критического значения в 10^-29 г/cм³, при котором пространство - плоское и является границей между положительно и отрицательно искривленными пространствами. Но как распределяется вся эта плотность энергии на составные части?

Добротность звучащего тела, т.е. как долго оно звучит после удара по нему, или какое распределение частот в нем, информирует нас о расширении Вселенной и о числе атомов, распавшихся на фотоны. ПЛАНК будет первым экспериментом, который измерит эту добротность с максимальной точностью. Так как мы число фотонов знаем очень точно, это позволит нам точно определить и общее число атомов во Вселенной.

С другой стороны, астрономы знают, что во Вселенной материи больше, чем составляют атомы. О "скрытой массе" полагают, что она составлена из еще не известного типа субатомных частиц, называемых Темной материей. Так как эта Темная материя взаимодействует с веществом посредством тяготения, ее количество влияет на акустические волны. Высокоточные измерения ПЛАНКом гармоник позволят нам общую плотность материи определить с точностью порядка процента. Такое точное измерение плотности материи оказывается крайне важным для большой нерешенной проблемы космологии: природы "Темной энергии", названной так из-за нашего незнания ее сущности и свойств, и которая, как полагают, является причиной ускоренного расширения Вселенной. Более десятилетия реликтовое излучение показывало нам, что вся плотность энергии во Вселенной лежит вблизи критического значения. Современные оценки плотности материи, пусть и приближенные, все же указывают на то, что 70% этой плотности вносится не материей. Этот дефицит согласуется с независимыми оценками Темной энергии, необходимой для объяснения ускоренного расширения, подтверждаемого наблюдениями весьма далеких сверхновых. Но более точные измерения плотности материи необходимы, если мы попытаемся определить влияние каждой составной части на коэффициент экспансии Вселенной и прояснить природу таинственной Темной энергии.

На Темную энергию подавались несколько кандидатов, но все эти предложения имеют свои недостатки. Самое старое исходит к Эйнштейну, предложившему "космологическую константу (лямбда)" для ограждения своей космологической модели от экспансии (она тогда еще не была известна). Когда позднее экспансия Вселенной была подтверждена наблюдениями, он отказался от этой идеи. Парадоксально, но новые, уточненные, данные тоже требуют введения космологической константы или чего-то подобного, что можно ввести через какие-то новые физические механизмы. Предлагались различные альтернативы. Но нужны еще более точные данные, чтобы можно было провести различие между ними или понять, какие свойства должна иметь верная теория.

ПЛАНК даст нам ценные подсказки, как понимать Темную энергию, которая проявляется двумя основными путями. Во-первых, она ускоряет экспансию Вселенной в течение последних нескольких миллиардов лет. Ускоренное расширение препятствует росту космических неоднородностей плотности. Это накладывает отпечаток на анизотропию микроволнового фона посредством "интегрированного эффекта Сакса-Вольфа". Когда микроволновые фотоны попадают в минимумы поля тяготения, их энергия возрастает из-за, так называемого, гравитационного голубого смещения.

Если гравитационное поле не изменяется со временем, то эта добавка энергии как раз и уйдет, когда фотоны опять выберутся из "ямы". Но если гравитационное поле меняется во времени, то повышение энергии и последующая ее потеря (красное смещение) не компенсируют друг друга, из-за чего в космической истории появляется дополнительная анизотропия. Из-за больших временных промежутков, характеризующих распад гравитационного поля в расширяющейся Вселеннойб этот эффект особенно выражен на больших угловых масштабах. Такие поздние искажения анизотропии температур реликтового фона нужно отличать от возможных изменений в физике Ранней Вселенной по тому признаку, что они коррелируют с гравитационно связанными структурами, существование которых можно подтвердить другими наблюдениями. Косвенным образом ПЛАНК может пролить свет и на познание свойств Темной энергии, поскольку по этой теме проводятся и другие специальные эксперименты, но результаты их можно интерпретировать неоднозначно, если их анализировать отдельно от результатов ПЛАНКА.

Фотоны несут нам полезную информацию в виде поляризации, которая коррелирует и с локальными пространственными неоднородностями в излучаемой плазме. Реликтовые фотоны поляризованы слабо, так что эти свойства трудно поддаются измерению. Но передаваемая информация позволяет нам перепроверить некоторые выводы, получаемые только из температуры, повышая тем самым надежность нашей интерпретации. Поэтому поляризация несет в себе и независимую информацию, позволяющую более точно определить некоторые параметры, которые только по температуре можно получить лишь приближенно. В поляризации содержатся крайне важные следы процессов, происходивших в самые первые мгновения, когда энергия во Вселенной была настолько высока, какой нельзя достичь в реальных экспериментах.

Поэтому измерение поляризации является целью большинства экспериментов по реликту, включая ПЛАНК. Исследуя поляризацию реликтового фона, мы можем определить энергию, при которой возникла поляризация. Например, слабое ядерное взаимодействие и электромагнитное - это различные аспекты одной и той же электрослабой силы, когда Вселенная была горячей ( 10¹⁵ К). Если поляризация возникла при этой температуре, то это было бы свидетельством того, что электрослабое объединение обусловило поляризацию. Но ее причиной могут быть события и при более высоких температурах или более ранних временах, возможно, когда электрослабое взаимодействие было связано с сильным, как трактует теория Великого объединения.

Решающим для определения энергетической шкалы является то, что многие модели для возникновения реликтового фона предсказывали не только флуктуации плотности и давления, распространяющиеся как акустические волны, но также волны в самой системе пространство-время. Эти гравитационные волны могут простираться через всю наблюдаемую Вселенную, и их амплитуда пропорциональна квадрату энергии, при которой они возникли. Слегка искажая поверхность, с которой мы принимаем реликтовые фотоны нашими детекторами, эти гравитационные волны производят флуктуации как температуры, так и поляризации. ПЛАНК вполне способен измерить крупномасштабную поляризационную анизотропию и очертить область энергии, где поляризация возникла, или даже измерить ее, если она достаточно велика. Если ПЛАНК в действительности сможет обнаружить эти следы, то, тем самым, можно непосредственно получить коэффициент экспансии Вселенной. Это стало бы действительно замечательным подтверждением инфляции.