Обсерваторія Саймонса шукатиме ознаки гравітаційних хвиль, які походять від Великого Вибуху.

Космологи готуються кинути найгостріший погляд на ранній Всесвіт. З висоти 5300 метрів на Серро-Токо в пустелі Атакама на півночі Чилі обсерваторія Саймонса буде складати мапу космічного мікрохвильового фону (cosmic microwave background, CMB), який іноді називають післясвітінням Великого Вибуху, з чутливістю, що вдесятеро перевищує попередній «золотий стандарт» чутливості цього фону, зареєстрованого європейським космічним зондом «Планк».

«Це буде найкращий погляд на CMB, який ми коли-небудь мали», — сказав Джо Данклі (Jo Dunkley), космолог з Принстонського університету в Нью-Джерсі та один із провідних дослідників у «команді» обсерваторії. Будівництво обсерваторії вартістю 109,5 мільйона доларів має бути невдовзі завершено.

Одна з цілей проєкту — виявлення «відбитків пальців», залишених у CMB гравітаційними хвилями, які виникли під час Великого Вибуху. Це стане першим незаперечним доказом космічної інфляції, короткого моменту, коли розширення, як вважають, відбувалося з експоненціальною швидкістю. Теоретики передбачають, що протягом цього часу квантові флуктуації мікроскопічного масштабу засіяли Всесвіт тим, що стало його великомасштабною структурою, зокрема поточний розподіл скупчень галактик у просторі.

Наукову співпрацю очолюють п’ять американських університетів і Національна лабораторія імені Лоуренса в Берклі, Каліфорнія. Проєкт названо на честь Джима Саймонса (Jim Simons), математика, мільярдера, інвестора гедж-фонду й філантропа, та його дружини Мерилін. Фонд Саймонса в Нью-Йорку виділив майже 90 мільйонів доларів на будівництво обсерваторії.

Після завершення будівництва інженери розпочнуть багатомісячний процес тонкого налаштування та тестування інструментів обсерваторії, перш ніж розпочнеться її наукова програма.

Ознаки інфляції

Обсерваторія Сімонса (The Simons Observatory) — це група з чотирьох телескопів. Три є ідентичними 0,4-метровими телескопами з малою апертурою (small aperture telescopes, SAT), а один — 6-метровим телескопом з великою апертурою (Large Aperture Telescope, LAT). Разом вони зареєструють незначні коливання температури CMB від однієї ділянки неба до іншої, а також поляризацію CMB, яка є переважним напрямком, у якому електричне поле випромінювання коливається під час поширення мікрохвиль у просторі.

Три малі телескопи будуть зосереджені на ділянці, що охоплює 20% південного неба. Мета полягає в тому, щоб досліджувати великомасштабні вихори, тобто такі, що охоплюють площу, яка в декілька разів перевищує видимий розмір Місяця на небі, в полі поляризації CMB. (Мапи поляризації мають вигляд масиву паличок, а орієнтації паличок можуть утворювати специфічні закручені візерунки, які називаються вихорами.) Саме тут очікується поява сигналів космічної інфляції, відомих як узори B-моди.

Багато космологів розглядають інфляцію як найвірогідніший механізм процесу, який спричинив появу структури Всесвіту. Сам процес породило енергетичне поле, яке називають інфлятоном. Природа і властивості інфлятона загадкові. Було запропоновано багато теорій, які передбачають сигнали гравітаційних хвиль широкого діапазону інтенсивності.

Тому немає гарантії, що сигнал, якщо він існує, є достатньо сильним, щоб обсерваторія Саймонса могла його виявити, сказала Сюзанна Стеґґс (Suzanne Staggs), космолог з Принстона, яка є співдиректором обсерваторії. «Але, боже мій, якби вони були саме там, це було б неймовірно».

Обсерваторія Саймонса, сфотографована з боку Серро Токо в пустелі Атакама, Чилі. Авторські права на зображення: Марк Девлін (Mark Devlin)/Пенсильванський університет. Фото з сайту www.nature.com.

Наявна нині квантова теорія поля припускає, що сигнали мають бути в діапазоні чутливості обсерваторії Саймонса або близько до нього, зазначив Марк Каміонковські (Marc Kamionkowski), астрофізик-теоретик з Університету Джона Гопкінса в Балтиморі, штат Меріленд. Він був одним з перших дослідників, які передбачили існування узорів B-моди в 1997 р.

Тоді як малі телескопи буде зосереджено на відносно невеликій ділянці неба, LAT складатиме мапу 40% неба з набагато кращою роздільною здатністю та записуватиме коливання температури в космічному мікрохвильовому фоні, а також його поляризацію. Космологи, які працювали в місії «Планк» та в інших минулих проєктах з реєстрації реліктового випромінювання, змогли отримати інформацію, будуючи графіки інтенсивності цих температурних коливань на ділянці неба, яку вони охоплювали. Такі графіки дали змогу космологам отримати точні оцінки як віку Всесвіту (13,8 мільярдів років), так і його складу (лише близько 4% з яких становить звичайна матерія).

Дані LAT можуть допомогти дослідникам виявити сигнали космічної інфляції на мапах поляризації з низькою роздільною здатністю, зроблених меншими телескопами. Зокрема, вони матимуть вирішальне значення для відділення цієї моди від помилкових сигналів, створених такими ефектами, як пил у Молочному Шляху, пояснив Марк Девлін, космолог з Університету Пенсильванії у Філадельфії, який є співдиректором обсерваторії. Експеримент буде вшестеро чутливішим до поляризаційних мод, ніж будь-які попередні спроби їх вимірювання.

Дослідження невідомого

Однак пошук сигналів інфляції є лише однією з цілей проєкту: наукова група обсерваторії Саймонса планує отримати набагато більше наукових даних із мапи CMB високої роздільної здатності, яку вони отримають. Це дасть змогу дослідникам не тільки візуалізувати Всесвіт у ранньому віці, а й вивчити, як його первісне випромінювання змінилося в космосі протягом 13,8 мільярдів років подорожі, перш ніж воно потрапило на Землю.

Зокрема, космічне мікрохвильове фонове випромінювання зазнає заломлення через дію гравітації великих скупчень галактик і темної матерії — явище, відоме як гравітаційне лінзування — і це можна використовувати для створення 3D-мап цих скупчень. Девлін, Стеґґс та їхні співробітники вперше запровадили цю техніку в попередньому високоточному проєкті CMB під назвою «Атакамський телескоп для космології» (Atacama Cosmology Telescope). Телескоп працював протягом 2007—2022 років, також у Серро Токо. Остаточні результати його спостережень ще не опубліковано. Команда обсерваторії Саймонса реконструює міру гравітаційного лінзування реліктового випромінювання та визначить, яка його частина пов’язана з нейтрино. Це дасть змогу розрахувати масу цих частинок, яка досі невідома. «Це гарантований сигнал», — сказав Браян Кітінґ (Brian Keating), астрофізик з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, який є головним дослідником проєкту.

Фізики Анна Кофман (Anna Kofman) і Саймон Дікер (Simon Dicker) з Пенсильванського університету в Філадельфії працюють з холодильником для ослаблення всередині приймача телескопа з великою апертурою. Авторські права на зображення: Марк Девлін (Mark Devlin)/Пенсильванський університет. Фото з сайту www.nature.com.

Оскільки LAT скануватиме ті самі ділянки неба неодноразово протягом свого існування, він також зможе відстежувати рух астероїдів у Сонячній системі та спостерігати за активними чорними дірами в центрах інших галактик — і як їхні початкові дані змінюються з часом. «Ми зможемо відстежувати 20 000 або більше активних ядер галактик, які, як ми вважаємо, є надмасивними чорними дірами зі струменями», — зазначив Данклі.

Амбітні подальші дії

Обсерваторія матиме два періоди спостережень, кожен з яких триватиме близько чотирьох років, із запланованим оновленням у 53 мільйони доларів між ними. Як продовження цієї справи, заплановано ще амбітніший проєкт під назвою CMB-S4, яким керуватимуть Міністерство енергетики США та Національний науковий фонд. Ці спостереження розпочнуться в середині 2030-х років. Завдяки телескопам як на Серро-Токо, так і на Південному полюсі, масив вартістю 800 мільйонів доларів покращить чутливість до інфляційного сигналу ще вшестеро.

Є надія, що деяке обладнання обсерваторії Саймонса можна буде повторно використовувати як частину CMB-S4, хоча докладно це ще не з’ясовано, сказав Джон Карлстром (John Carlstrom), астрофізик з Чиказького університету в Іллінойсі, який є науковим співробітником проєкту колаборації CMB-S4.

У 2014 році команда, яка працювала над експериментом CMB на Південному полюсі під назвою BICEP2, зробила сміливу заяву про виявлення інфляційного сигналу, але пізніше спростувала це, коли стало ясно, що вони спостерігали галактичний пил. Відтоді пряме виявлення гравітаційних хвиль — не від Великого Вибуху, а від астрофізичних явищ, таких як злиття пар чорних дір — стало рутиною. Космологи раді отримати ще один шанс виявити первісні сигнали. «Ми говоримо про Всесвіт 13,8 мільярдів років тому, з густиною енергії на 15 порядків більше, ніж будь-що, що ми можемо створити в лабораторії», — сказав Каміонковські. «Дивно, що ми навіть можемо про це говорити».

За інф. з сайту www.nature.com