Конфетти превратилось в пыль

Межзвездная пыль помешала состояться главной научной сенсации 2014 года

В марте 2014 года на специально организованной пресс-конференции группа ученых представила результаты анализа наблюдений исследовательской астрономической станции BICEP2 в Антарктиде. Полученные данные могли стать не просто самым ярким открытием года, но и главным научным прорывом пока еще молодого XXI века.

Изучая реликтовый фон – дошедшее до нас излучение очень молодой Вселенной, – ученые обнаружили в нем (вернее, в его поляризации) особые сигналы, так называемые B-моды, которые могли бы быть отпечатками гравитационных волн, возникших на ранней стадии развития Вселенной. Оставляя в стороне технические детали, достаточно сказать, что это наблюдение могло бы стать первым прямым экспериментальным подтверждением теории инфляции, согласно которой только что родившийся мир, которому не было еще и 10 в минус 35-й степени секунд, очень быстро расширялся.

Почему это важно?

Один из создателей теории инфляции, Алан Гут

Наши представления об эволюции и происхождении Вселенной стремительно развивались на протяжении ХХ века и привели к достаточно стройной теории, основная часть которой известна как модель горячей Вселенной (или теория Большого взрыва). Эта модель в некоторых аспектах подтвердилась наблюдениями – в частности, она как раз и предсказывала наличие реликтового излучения, которое действительно было обнаружено. Однако она вызвала у ученых все больше сомнений. Грубо говоря, если теория Большого взрыва верна, то для того, чтобы современный мир выглядел таким, каким мы его видим, условия его существования на самых ранних этапах должны были быть очень прихотливыми, как бы искусственно подобранными. Разрешить большую часть накопившихся вопросов смогла новая модель, изначально предложенная московским астрофизиком Алексеем Старобинским в 1979 году, а чуть позже, в 1980 году – в более полном и явном виде – американцем Аланом Гутом. Новую теорию, которую Гут назвал моделью инфляционного расширения Вселенной, еще год спустя развил другой советский астроном, Андрей Линде.

Теория инфляции не стала последним кусочком пазла космологической картины. Во Вселенной есть множество особенностей и явлений, которые еще ждут своего научного объяснения. Но конкурирующих теорий, которые бы справились с проблемами модели горячей Вселенной лучше инфляционной модели (впрочем, различных вариантов этой модели было придумано достаточно много), также не возникло. Проблема в том, что до сих пор инфляционная теория не имела никаких прямых наблюдательных подтверждений (косвенные, путем измерения спектра флуктуаций, появились совсем недавно) – она описывает процесс, который практически не оставил после себя следов, которые мы могли бы увидеть сегодня. Почти, но не совсем: если инфляционная стадия расширения Вселенной действительно была, она сопровождалась возникновением гравитационных волн, которые должны были оставить отпечаток в реликтовом излучении. И именно поиском этого отпечатка занималась в Антарктиде астрономическая станция BICEP2.

Конфетти

На видео, опубликованном на YouTube от имени Стэнфордского университета 17 марта 2014 года, молодой физик Чао-Лин Куо стоит на пороге дома. Дверь открывается, за ней – профессор Стэнфорда Андрей Линде и его жена.

– У меня для вас сюрприз. Данные показали пять сигм. R равно 0,2

– Что вы сказали? Повторите-ка еще раз!

Показатель r характеризует силу обнаруженного коллаборацией BICEP2 сигнала B-модов, и его значение, кстати, сразу же вызвало подозрения – согласно некоторым оценкам, r не может превышать 0,1. А пять сигм говорит о статистической достоверности: вероятность ошибки наблюдения – 1 на 3,5 миллиона. Куо дает Линде понять, что B-моды обнаружены, а значит, теория инфляции получила экспериментальное подтверждение: это не плод воображения ученого, а предсказанный им закон природы. Неудивительно, что на следующих кадрах видео, получившего почти 3 миллиона просмотров на YouTube, Линде и Куо открывают шампанское.

Еще один из авторов теории инфляции – Алан Гут рассказывал Радио Свобода в начале апреля о собственных впечатлениях от объявленного результата:

– На самом деле еще за восемь дней до официального объявления результатов, в воскресенье, 9 марта, Джон Ковак (руководитель исследовательской группы BICEP2. – РС) написал мне, что нам кое о чем нужно срочно поговорить. Я, конечно, знал, что он работает над поиском Б-модов, а значит, его письмо может намекать на важные новости, но не слишком разволновался, потому что ожидал результата на уровне погрешности 2,5 сигмы (то есть вероятность ошибки чуть меньше 2 процентов. – РС), который потом вполне может и не подтвердиться.

– 5 сигм вы не ожидали?

– Нет, совсем не ожидал. Но Ковак сказал, что хочет немедленно увидеться со мной, и приехал в MIT (Массачусетский технологический институт, где работает Гут. – РС) на следующий же день. Он дал мне копию проекта статьи и сказал про 5 сигм. Это меня, конечно, совершенно ошеломило: первые наблюдения Б-модов – и сразу же с таким результатом. Удивительные, невероятные новости.

Телескоп BICEP2

Глава научной группы BICEP2 Джон Ковак представил результаты работы коллаборации на специально созванной 17 марта пресс-конференции. Редкий, хотя и не уникальный случай в науке: результаты исследований были представлены журналистам еще до публикации в реферируемом научном журнале. Сложно сказать, что толкнуло Ковака на этот шаг, скорее всего, он сам был настолько ошеломлен получившимися данными, что просто не имел сил держать их при себе. В течение суток о грандиозном открытии услышал весь мир, об обнаруженных следах гравитационных волн сообщили решительно все: от "Московского Комсомольца" до New York Times. Почти в каждой заметке (и Радио Свобода не стало исключением) упоминалась Нобелевская премия: исследователи с BIСЕP2, Гут, Линде, а может быть, и Старобинский автоматически становились главными претендентами на нее – если не в 2014 году, то во всяком случае в одном из ближайших.

Впрочем, с Нобелевской премией нужно было немного подождать: результат, объявленный BICEP2, не вполне соответствовал ожиданиям некоторых астрофизиков (в частности, это касалась значения упомянутого параметра r) и в любом случае требовал дополнительной проверки. Астрофизик Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга, сказал тогда в интервью Радио Свобода:

– Теперь нужно дождаться соответствующих результатов Planck [космического телескопа, в течение периода с 2009 по 2013 год изучавшего фон реликтового излучения]. Замечу, что здесь была определенная гонка, и группа, работающая с BICEP, спешила, чтобы успеть представить свои результаты до обнародования данных спутникового телескопа. Важно, что Planck сможет представить результаты наблюдений на большем масштабе, чем наземный BICEP. Кроме того, нужно дождаться, чтобы обработали свои аналогичные наблюдения другие наземные станции. Все это, судя по существующим темпам работы, дело нескольких месяцев.

А вот Алан Гут на вопрос Радио Свобода, верит ли он, что результаты Planck подтвердят данные BICEP2, ответил просто: "Шансы велики".

Карта пыли

С помощью наземных и орбитальных телескопов мы изучаем галактики, ищем черные дыры, следим за эволюцией звезд, но самые цитируемые научные статьи по астрофизике рассказывают не об этих удивительных объектах, а о банальной межзвездной пыли. "Вот закончилась миссия космического аппарата COBE, за некоторые ее результаты дали Нобелевскую премию, – рассказывает Попов. – Но пользуются ученые больше всего не этими данными, а сделанной с помощью COBE картой галактической пыли, потому что все смотрят в космос через эту же самую пыль. В лифте самая затертая кнопка – кнопка первого этажа, даже если нобелевский лауреат живет на 17-м. То же самое было со следующей орбитальной миссией, WMAP: после ее окончания за несколько лет самой цитируемой опять стала сделанная этим аппаратом карта пыли. Не сомневаюсь, что самым востребованным результатам Planck вновь станет карта пыли".

Поляризация галактической пыли Млечного пути магнитным полем. Изображение телескопа Planck

Обращаясь к карте галактической пыли, астрофизики могут, во-первых, направить свои телескопы туда, где на небе есть самые чистые окошки, где сигнал от далеких астрономических объектов меньше всего загрязнен, а во-вторых, вычесть из полученного сигнала заранее известную по данным карты составляющую излучения пыли. Особенно важно это при изучении реликтового фона: "Пыль светит на тех же частотах, что и реликтовое излучение, сигналы смешиваются, и пыль каким-то регулярным образом очень сложно вычистить, разве что если вы на многих частотах посмотрели на все небо". Попов сравнивает изучение реликтового фона с наблюдением звездного неба через замерзшее окно: вы видите не настоящие звезды, а их искаженное изображение, прошедшее через грязь и замерзшие узоры. Чтобы "почистить" окно, то есть выделить полезную часть сигнала, нужно хорошо понимать, как устроено загрязнение, где и как расходятся морозные узоры по поверхности стекла. А для этого нужно иметь данные о состоянии всего окна сразу, то есть как можно более подробную карту галактической пыли на всем небосводе. Такую карту, намного более точную, чем у COBE и WMAP, в течение нескольких лет, с 2009 по октябрь 2013 года, составляла космическая обсерватория Planck.

Planck против BICEP2

Орбитальный телескоп Planck прекратил наблюдения в октябре 2013 года, а наземный BICEP2 закончил работу даже раньше, в 2012 году. С тех пор ученые занимались обработкой полученных данных – титанический труд, занимающий годы даже при использовании суперкомпьютеров. Джон Ковак с коллегами торопились и закончили анализ в начале 2014 года, тогда как специалисты, работающие с Planck, начали публиковать первые результаты только осенью. К моменту объявления результатов BICEP2 карта пыли по версии Planck еще не была готова, но это не помешало Коваку заявить на пресс-конференции: "Для наблюдений мы выбрали самый чистый участок неба из всех возможных". Прикидывая, куда направить свой телескоп в антарктическом небе, команда опиралась на всю доступную информацию – на данные уже состоявшихся миссий и некоторые теоретические модели (а говорят, еще и на картинку со слайда одной предварительной презентации данных Planck). И все указывало на то, что если выбрать для наблюдений именно это маленькое окошко южного небосвода и следить за сигналом на частоте 150 гигагерц, то вызванное галактической пылью загрязнение будет наименьшим из возможных. BICEP2 – в сто раз более чувствительный инструмент, чем Planck, вот только поле зрения у него совсем крошечное, а значит, самое главное – правильно его направить.

Астрофизики прикинули, где в стоге сена может быть спрятана иголка, и нашли ее ровно в этом месте. Подтверждение данными Planck многим казалось тогда, в марте 2014 года, чистой формальностью: мало кто сомневался, что анализ собранной космическим телескопом информации подтвердит, что выбранное BICEP2 окошко чище некуда, а сигнал B-модов проявляется на всем небосводе.

Конфетти превращается в пыль

Результат BICEP2 (наконец опубликованный в реферируемом журнале в середине июня) выглядел настолько хорошо, что в него было сложно поверить. И скептиков нашлось достаточно: одни указывали на параметр r, значительно превзошедший предыдущие оценки, другие говорили, что участники коллаборации могли недооценить количество пыли в своем "самом чистом участке неба". Если пресса уже объявила новый результат сенсацией века и не очень интересовалась дальнейшим развитием истории, то в научном сообществе постепенно зрело все большее любопытство. Вероятно, именно это подстегнуло исследователей Planck обнародовать часть анализа своих данных уже 21 сентября – примерно на полтора месяца раньше графика. И эта публикация содержала совсем не те выводы, которых ожидали в BICEP2.

Изображение коллаборации Planck: усредненное излучение пыли на 150 ГГц: от темно-красного (самое сильное) к темно синему (самое слабое). Участок, наблюдавшийся BICEP2, выделен на правом изображении. Видно, что чуть южнее (ближе к центру) есть более перспективные участки

Planck – грубоватый инструмент, и ему не хватило чувствительности, чтобы подтвердить или опровергнуть наличие сигнала B-модов именно в том месте и именно на той частоте 150 гигагерц, где их зафиксировал BICEP2. Зато космический телескоп смотрел не в одно маленькое окошко, а на весь небосвод, и не на одной частоте, а на четырех. На одной из них – 353 гигагерц – излучение пыли доминирует в сигнале, то есть все, что видит телескоп, – это пыль. Астрофизики разделили небо на небольшие области (сравнимые по размеру с той, которую наблюдал BICEP2) и для каждой из них вычислили, насколько сильно здесь излучение пыли.

Зависимость излучения космической пыли от частоты известна, так что, экстраполируя эти данные, можно составить достаточно подробную карту излучения пыли уже на той самой частоте BICEP2 150 гигагерц в масштабах всего неба. Ковак и коллеги предполагали, что в их маленьком окошке этот шум будет пренебрежимо маленьким. Planck показал, что он будет не просто большим, а сравнимым по порядку с величиной самого обнаруженного BICEP2 сигнала. Особенно обидно должно было стать Коваку и его коллегам от того, что, согласно данным Planck, куда более чистый участок неба находился совсем рядом с тем, что выбрали они – чуть южнее. Впрочем, и там пыли слишком много: "Мы показали, что даже в тех регионах неба, где излучение пыли очень слабо, никаких "чистых" окошек нет", – отметили авторы статьи.

Другими словами, то, что ученые с BICEP2 считали отпечатком древних гравитационных волн, могло быть всего лишь пылью. Точнее, окошко в этом месте оказалось настолько грязным, что, глядя через него, звезду легко перепутать с преломившимся на морозном узоре светом соседнего фонаря. Один из авторов статьи с данными Planck, Джонатан Умон из Института астрофизики Орсэ (Франция) подчеркнул, что "из нашей работы не следует, что они [BICEP2] не получили никакого космологического сигнала. Различные методы наблюдения и анализа данных, использованные в Planck и BICEP2, не позволяют нам утверждать, какая часть полученного ими сигнала является излучением пыли".

Точка

Опубликованные в конце сентября предварительные результаты Planck все же сохраняли небольшой шанс на то, что в сигналах BICEP есть что-то кроме излучения пыли. Обе коллаборации объявили, что собираются подробно сравнить свои данные и прийти к совместному выводу к концу года.

Телескоп BICEP2 в сумерках

"Окончательные результаты должны были быть опубликованы в конце декабря, – рассказывает Сергей Попов, – но команда Planck перенесла это на более позднюю дату, пока речь идет о феврале. Будет опубликован сразу же большой блок – больше 30 статей, так что, вероятно, дело в каких-то вопросах оформления и научной добросовестности – неожиданностей ждать не приходится. В начале декабря прошла конференция в Ферраре, в Италии, где все результаты были в общем-то представлены. Из графиков, которые были показаны, следует, что Planck никакого соответствующего сигнала первичных гравитационных волн не видит. Так что в истории точка в общем-то поставлена".

В наивном представлении кажется, что астрономическое или астрофизическое открытие происходит, когда ученые что-то увидели на небе в телескоп – мгновенная и очевидная удача. В действительности это совсем не так: данные наблюдений собираются годами и еще дольше обрабатываются, мы смотрим в космос в лучшем случае через мутное окошко, и даже если нам кажется, что на этот раз удалось его хорошенько протереть, полученные результаты требуют скрупулезной проверки. В этом смысле в истории открытия BICEP2 нет ничего уникального – это часть неторопливого, постепенного научного поиска, который – пока – ни к чему не привел.

Благодаря недавней поимке бозона Хиггса, любовь между большой наукой и массмедиа разгорелась с новой, давно невиданной силой, и этот опыт оказался одинаково соблазнительным для ученых BICEP2, поверивших, что им удалось совершить открытие XXI века, и для прессы, хорошо запомнившей, как охота за бозоном в 2012 году вернула интерес к науке миллионов людей. На этот раз любовь оказалась бесплодной, сенсации помешала космическая пыль, пострадало несколько репутаций, а якобы обнаруженный отпечаток первобытных гравитационных волн из "главного научного открытия года" стал просто "исследованием, о котором больше всего говорили".

Журналистам пришлось поломать голову, что поставить на первое место в своих научных итогах года, но в науке никакой катастрофы не произошло: теория инфляции, как и раньше, остается самой перспективной моделью для описания младенчества Вселенной, а метод, использованный BICEP2, будет применяться для поиска B-модов и дальше: "Это отработанная и недорогая технология, наверное, через несколько лет, основываясь на составленной Planck карте пыли, какой-нибудь очередной прибор снова заявит о сигнале", – надеется Сергей Попов. И тогда у Андрея Линде снова появится повод открыть бутылку шампанского – только на этот раз не придется жалеть об этом.