Тред №555762

Публикуется с сокращениями.

WMAP: триумф девятилетней службы

Борис Штерн

В декабре 2012 года вышло два препринта коллаборации WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), подводящие итоги 9-летней работы космической станции по «картографированию» реликтового микроволнового излучения, испущенного рекомбинирующей плазмой, когда Вселенной было 380 тыс. лет.

На рис. 1 — карта неба, снятая WMAP, где цвет отражает неоднородности температуры реликта. Первоисточник выглядит иначе: на показанной карте сигнал очищен от галактического фона и фона отдельных внегалактических источников. Реальный контраст пятнистости на этой карте — всего лишь 10-5.

Карта совершенно хаотична, и, кажется, что из нее нельзя извлечь ничего интересного. На самом деле, в ней зашифрована важнейшая информация о Вселенной, карта говорит о ней, как о целом, больше, чем наблюдения далеких галактик и квазаров. Причем эта информация касается не только параметров Вселенной, но и самого процесса ее «сотворения», который называется «космологическая инфляция». По мнению автора, суммарное научное значение результатов WMAP превосходит значение открытия бозона Хиггса. Просто эти результаты растянуты во времени. Но для начала полезен небольшой экскурс в прошлое.

Предсказание

Бывают удивительные истории, когда некий вывод, найденный кабинетным ученым на бумаге вне всякой связи с реальностью, вдруг через много лет обретает плоть и мощь, становясь одной из несущих конструкций науки. Такая история произошла с работой А. Д. Сахарова, сделанной в 1963 году. В этой работе исследована эволюция акустических колебаний вещества в ранней Вселенной и получен очень интересный красивый результат. Мы с Валерием Рубаковым писали об этой работе в ТрВ № 83, сейчас кое-что стоит повторить вкратце.

Почему это так хорошо получается

Согласие между теоретической кривой с подогнанными шестью параметрами и данными на рис. 2 можно назвать поразительным, фантастическим. Шесть подгоночных параметров для сложной кривой со многими максимумами с неочевидными соотношениями высоты — это очень экономно, примерно как убить шестью выстрелами тридцать зайцев. Причем полученные значения параметров близки к тем, которые были найдены раньше, хотя и с меньшей точностью, из данных о современной Вселенной.

Как вообще людям удается так хорошо описать то, что происходило в интервале истории от долей секунды до сотен миллионов лет? С одной стороны, есть облегчающее обстоятельство: все неоднородности плотности относительно малы, поэтому работает теория возмущений в первом порядке. С другой стороны, процессов много, и все они не столь просты. Плюс к тем эффектам, которые перечислены выше, есть, например, всякие переходные процессы: когда неоднородность входит под горизонт (от секунд до тысяч лет), когда меняется уравнение состояния Вселенной (80 тыс. лет) — они усиливают контраст распределения темной материи. Дальше, надо точно знать, как протекала во времени рекомбинация водорода и даже гелия, — от этого зависит, насколько замыт контраст неодно-родностей малых масштабов. Есть еще целый ряд эффектов, влияющих на картину, — мы опустим их, чтобы не перегружать читателя подробностями.

И это всё тщательно учтено. Конечно, над теорией ранней Вселенной работает много людей, разные независимые группы — все перепроверено по много раз, и достигнут консенсус. И обработкой данных WMAP занимается много народа.

Здесь стоит выразить признательность NASA, которая уже десятилетиями выкладывает все данные разных экспериментов в открытый доступ. Их может скачать любой исследователь вместе со всей сопутствующей информацией, необходимой для обработки. Это полезно сразу в нескольких отношениях.

Во-первых, если в данных есть «косяки», их обязательно обнаружит «народный контроль» из независимых исследователей разных стран. В частности, на раннем этапе накопления данных Павел Насельский, Олег Верходанов, Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков обнаружили, что карта реликтового излучения, представленная командой WMAP как вариант, полностью очищенный от фона, на самом деле коррелирует с фоном по фазам гармоник, т.е. очищена плохо. Стали чистить лучше. Вообще, сама возможность контроля со стороны заставляет команду «вылизывать» инструмент и подготовку данных до предела возможного.

Во-вторых, открытость данных мобилизует добровольцев в данную область исследований. И наконец, команда эксперимента, как правило, снимает сливки, но не может выкопать из данных всё, что там содержится. Это делают многочисленные волонтеры по собственной инициативе.

В результате, теория с небольшим числом подгоночных параметров великолепно описывает наблюдения. Более того, взгляните снова на рис. 2. Параметры Вселенной, приведенные выше, найдены только по точкам WMAP, которые идут лишь до мультипольного момента ~1000 (разрешение 0,2о). Однако теоретическая кривая с этими параметрами, проведенная дальше, до мультиполей ~2000, великолепно описывает точки, полученные в других экспериментах, хотя они не учитывались при подгонке!

Успех означает, что космологи действительно хорошо понимают и умеют количественно описывать то, что происходило в ранней Вселенной. На детальном уровне — всё, что происходило после первых долей секунды. На более качественном — ощущают эпоху 10-35 секунды, когда формировался спектр неоднородностей Вселенной и создавалась сама Вселенная. Это — твердая почва под ногами ученых, которые залезли в такие масштабы мироздания, о возможности исследования которых еще недавно никто не догадывался.

Объявлены космологические результаты «Планка»

Борис Штерн

Они замечательные, но сливки уже съел WMAP

Недавно в ТрВ-Наука была опубликована статья про заключительные результаты миссии NASA, WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) по измерению реликтового излучения ранней Вселенной (см. [1]). Этот эксперимент без преувеличений сделал эпоху: космология превратилась в «прецизионную космологию». На днях, 21 марта, произошло еще одно событие, которого долго ждали: объявлены космологические результаты миссии ESA «Планк» (Planck) — более современного и чувствительного микроволнового космического телескопа [2].

Европейский «Планк» был запущен в мае 2009 года, совершил плановый обзор неба к ноябрю 2010 года. Миссия была продолжена до исчерпания жидкого гелия, охлаждающего детекторы. Гелий-3, охлаждающий высокочастотный приемник, закончился в январе 2012 года, а гелий-4, охлаждающий низкочастотный инструмент, должен закончиться в ближайшее время. Инструмент превосходит американский WMAP, запущенный в 2001 году, лучшим угловым разрешением, более высокой чувствительностью, более широким диапазоном частот. Естественно, исследователи с большим интересом ждали объявления космологических результатов «Планка». Астрофизические результаты уже были опубликованы, и там была масса интересных вещей, например гигантские перемычки горячего газа, соединяющие скопления галактик. Главный космологический релиз результатов был заранее объявлен на 21 марта. И вот он у нас перед глазами.

Качество данных действительно великолепное. Карта реликтового излучения (рис. 1) заметно четче, чем у WMAP. Разложение этой карты по угловым гармоникам (рис. 2) идет гораздо дальше — в более высокие мультиполи, до l = 2500, тогда как аналогичная кривая WMAP тянулась только до l = 1000. Кривая «Планка» перекрывает совместную картинку WMAP и наземных микроволновых телескопов — это важно, так как гарантирует однородность данных. Спектр угловых гармоник прекрасно подгоняется стандартной космологической моделью Вселенной (примерно так, как подгонялись данные WMAP, см. [1]).

Итак, прецизионная (высокоточная) космология стала еще более прецизионной, однако, по большому счету, пока ничего принципиально нового в итогах работы «Планка» нет. Интервалы ошибок нескольких важных величин, полученных подгонкой данных WMAP и «Планка», показаны на рис. 3. Чуть меньше темной энергии (см. рис. 3), чуть больше темной материи (26% содержимого Вселенной вместо 24%, по последним данным WMAP), причем разница лишь немного выходит за пределы статистической ошибки 1 сигма. Они даны в двух вариантах: если брать только данные миссии и если дополнить их данными других наблюдений, в том числе касающихся современной Вселенной (они обозначены как WMAP + и Планк +).

Вопреки прозвучавшим в ряде СМИ заявлениям, возраст Вселенной не «повышен» относительно результата WMAP, а лишь уточнен — 13,8 миллиардов лет плюс-минус 30 миллионов.

Что существенно для физиков — снижена оценка эффективного числа типов «нейтрино». Слово «нейтрино» взято в кавычки потому, что любая легкая слабовзаимодей-ствующая частица подошла бы на эту роль. Раньше число типов нейтрино тяготело к четырем, теперь — к трем, которые уже известны. Искать четвертую легкую, слабовза-имодействующую частицу нет резона. Почти вдвое уменьшен верхний предел на сумму масс трех типов нейтрино: если привлечь все силы, то натягивается предел 0,24 эВ.

Хорошо и важно то, что «Планк» подтверждает результат WMAP по наклону спектра первичных возмущений плотности Вселенной. Показатель наклона спектра отличается от плоского на 0,04 как по данным WMAP +, так и по результатам Планк +, но «Планк» поднял статистическую значимость этого отклонения до 6 сигма. Важность результата заключается в том, что он относится к самому акту сотворения Вселенной — космологической инфляции и подтверждает, что это, скорее всего, была именно она, и кое-что говорит о ее конкретном варианте.

Отсутствие сенсаций в релизе «Планка» пытаются возместить заявлениями об аномалиях в данных. Холодное (синее) пятно снизу справа на рис. 1 холоднее, чем надо, и спектр гармоник в интервале мультипо-лей 20-30 (рис.2) идет ниже, чем надо. Эти страшилки об аномалиях Вселенной (там есть еще «ось зла») с радостью подхватывают журналисты. На самом деле, все эти «аномалии» имеют маргинальную статистическую значимость, а в любом большом массиве данных всегда найдутся маргинально значимые отклонения.

Но это еще не всё. Обработаны данные только за 2/5 срока работы «Планка». Точность еще вырастет, и, возможно, появится что-то действительно новое. Самое выдающееся, что могло бы появиться — указание на реликтовые гравитационные волны в карте поляризации реликтового излучения. Правда, надежда на это не велика.