2013: Ломоносовская премия за науку I степени присуждена В.А.Рубакову и М.В.Сажину за работу "Реликтовое излучение и современная космология "

Ломоносовская премия за 2012 год первой степени за научную работу была присуждена в январе 2013 года заведующему кафедрой физики частиц и космологии физического факультета МГУ, профессору, академику РАН В.А. Рубакову и главному научному сотруднику Государственного астрономического института им. п.к. Штернберга МГУ, профессору М.В. Сажину за цикл работ "Реликтовое излучение и современная космология".

Реликтовое микроволновое излучение служит одним из основных источников информации о свойствах нашей Вселенной на самых разных этапах ее эволюции. Оно представляет собой электромагнитные волны - фотоны - с планковским спектром излучения черного тела, характеризуемым температурой 2,725 градусов Кельвина (К). Реликтовым его называют потому, что оно было излучено на довольно ранней стадии расширения Вселенной, когда температура вещества в ней составляла 3000 К, а ее возраст равнялся 370 тысяч лет (для сравнения, возраст современной Вселенной - 13,8 миллиардов лет). В ту эпоху произошел переход вещества из состояния плазмы, непрозрачной для фотонов, в газообразное состояние, которое, наоборот, прозрачно. С тех пор реликтовые фотоны распространяются по Вселенной почти свободно, практически не испытывая взаимодействий с веществом (их длина волны увеличивается из-за растяжения пространства, а температура, соответственно, уменьшается). Таким образом, наблюдая реликтовое излучение, приходящее с разных направлений на небесной сфере, мы получаем фотографию (в буквальном смысле слова) Вселенной в возрасте 370 тыс. лет.

Реликтовое излучение не изотропно: фотоны, приходящие с различных направлений на небесной сфере, имеют несколько разные температуры. Связано это в первую очередь с тем, что наша Вселенная неоднородна: в ней есть галактики, скопления и сверхскопления галактик, а есть и гигантские пустоты, в которых галактик очень мало. Все эти объекты образовались из первичных неоднородностей, которые существовали и тогда, когда были излучены реликтовые фотоны. Только в то время амплитуды неоднородностей была совсем другими: их относительная величина составляла 10-4-10-5. Такую же величину составляют вариации температуры реликтового излучения в зависимости от направления на небесной сфере, что и показано на рис. 1: отклонения температуры от средней лежат в диапазоне (-200, +200) µК = (-2 ·10^4, 2 ·10^4) К при средней температуре 2,7 К.

Рис. 1: Распределение температуры реликтового излучения по небесной сфере [1]. Цвет показывает отклонение температуры от среднего значения.

Откуда взялись эти первичные неоднородности, столь необходимые для образования галактик и в конечном итоге для нашего существования? Каков механизм их образования в ранней Вселенной? Наиболее популярной теорией, дающей ответ на этот вопрос является теория космологической инфляции - чрезвычайно быстрого, экспоненциального расширения Вселенной, предшествовавшего горячей стадии космологической эволюции. В соответствии с этой теорией, первичные неоднородности - это усиленные вакуумные квантовые флуктуации поля, ответственного за инфляцию - инфлатона. Такая картина согласуется со всем, что мы сегодня знаем о Вселенной, в том числе она в деталях описывает наблюдаемые свойства реликтового излучения.

Однако помимо гипотетического поля инфлатона в природе существует и гравитационное поле. Его вакуумные квантовые флуктуации тоже должны усиливаться во время инфляции и превращаться в гравитационные волны. Современные длины этих волн должны находиться в очень широком диапазоне, захватывающем размер всей видимой части Вселенной, а их амплитуды определяются плотностью энергии во Вселенной в эпоху инфляции. Существование таких гравитационных волн - пожалуй, наиболее яркое предсказание инфляционной теории, отличающее ее от других сценариев начала эволюции Вселенной.

В 1982 году В.А. Рубаков и М.В. Сажин, тогда молодые научные сотрудники, совместно со своим молодым коллегой А.В. Веряскиным, сейчас работающим в Австралии, показали, что гравитационные волны, рожденные во время инфляции, приводят к специфическим вкладам в зависимость температуры реликтовых фотонов от направления на небесной сфере - анизотропию реликтового излучения [2]. В то время анизотропия реликтового излучения еще не была открыта, имелись только ограничения на ее величину. Тем не менее, исходя из этих ограничений авторами был сделан вывод о том, что плотность энергии во Вселенной в инфляционную эпоху была по крайней мере на шесть порядков меньше так называемой планковской плотности. Важность этого вывода связана с тем, что при планковской плотности обычные представления о пространстве и времени, так же как и уравнения теории гравитации перестают быть справедливыми: при таких плотностях должна работать квантовая теория гравитации, о которой не известно почти ничего. Вывод Рубакова, Сажина и Веряскина говорил о том, что инфляция происходила в режиме, далеком от квантовой гравитации, то есть результатам инфляционной теории можно доверять.

Значение обсуждаемой работы состоит и в том, что она показала, что наиболее эффективным путем поиска гравитационных волн, образовавшихся на инфляционной стадии, является исследование свойств реликтового излучения. Именно этим путем идет сегодня наблюдательная космология во всем мире (см., например, разделы, посвященные поиску реликтовых гравитационных волн - тензорных возмущений, в недавних публикациях коллабораций спутниковых экспериментов WMAP [3] и Planck [4]). Первое свидетельство существования анизотропии реликтового излучения было получено в российском спутниковом эксперименте Реликт [5]. Одним из наиболее сложных и ответственных аспектов этого эксперимента, как и последующих экспериментов по исследованию реликтового излучения, была обработка данных, получаемых со спутника. Важнейший вклад в эту работу был сделан М.В. Сажиным. Именно благодаря этой работе удалось выделить слабый сигнал, связанный с анизотропией реликтового излучения на больших угловых масштабах. Сегодня анизотропия реликтового излучения измерена в широком диапазоне угловых масштабов, от максимально больших (десятки градусов) до нескольких минут дуги, см. рис. 2.

Рис. 2: Угловой спектр анизотропии реликтового излучения [6]. Верхняя горизонтальная шкала показывает угловой масштаб, вертикальная шкала - величина анизотропии. Например, пик на масштабе 1 градус соответствует выраженным "горячим" и "холодным" пятнам с угловым размером около 1 градуса.

В реликтовом излучении закодирована информация не только о ранней Вселенной, но и об особенностях космологии на сравнительно поздних стадиях, включая современную. здесь особый интерес представляет изучение темной энергии, обуславливающей ускоренное расширение Вселенной в современную эпоху. Среди гипотез, относящихся к темной энергии, выделяется гипотеза об увеличении (!) плотности темной энергии по мере расширения Вселенной. Такой тип темной энергии называют фантомным. Долгое время считалось, что с теоретической точки зрения такая возможность является внутренне противоречивой. Однако В.А. Рубаков с соавторами в 2006 - 2007 г.г. предъявили конкретную модель теории поля, в которой реализуется фантомное поведение темной энергии [7,8]. Характерной особенностью этой модели, как и других предложенных впоследствии моделей, является рост неоднородностей на поздних временах, связанный с длинноволновыми неустойчивостями. Как показали В.А. Рубаков и М.В. Сажин с соавторами [9], эти неоднородности приводят к специфическим особенностям анизотропии реликтового излучения на больших угловых масштабах. Их анализ привел к сильным ограничениям на параметры фантомной темной энергии и позволил исключить целый класс фантомных моделей.

Таким образом, работы В.А. Рубакова и М.В. Сажина служат хорошей иллюстрацией того, что исследование свойств реликтового излучения является ключом к разгадке многих тайн нашей Вселенной. Неудивительно, что эта область активно развивается во всем мире. Достойный вклад в ее развитие вносят сотрудники физического факультета и ГАИШ МГУ.

Список литературы

1. Е. Komatsu et al. [WMAP Collaboration], "Five-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations:Cosmological Interpretation," Astrophys. J. Suppl. 180 (2009) 330 [arXiv:0803.0547 [astro-ph]].
2. V. А. Rubakov, М. У. Sazhin and А. У. Veryaskin, "Graviton Creation in the Inflationary Universe and the Grand Unification Scale," Phys. Lett. В 115 (1982) 189.
3. G. Hinshaw et al. [WMAP Collaboration], "Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Parameter Results," arXiv:1212.5226 [аstго-рh.СО].
4. Р. А. R. Ade et al. [Planck Collaboration], "Planck 2013 results. ХХII. Constraints оп inflation," arXiv:1303.5082 [аstго-рh.СО].
5. I.A. Strukov, А.А. Brukhanov, D.P. Skulachev and М.У. Sazhin, "The Relikt-1 experiment - New results," Mon. Not. Royal Astron. Soc. 258 (1992) 37Р.
6. Р. А. R. Ade et al. [Planck Collaboration], "Planck 2013 results. 1. Overview of products and scientific results," arXiv:1303.5062 [аstго-рh.СО].
7. V. А. Rubakov, "Phantom without UV pathology," Теор. Мат. Физ. 149 (2006) 409 [Theor. Math. Phys. 149 (2006) 1651] [hep-th/0604153].
8. М. Libanov, V. Rubakov, Е. Papantonopoulos, М. Sami and S. Tsujikawa, "UV staы,' Lorentz-violating dark energy with transient phantom ега," JCAP 0708 (2007) 010 [arXiv:0704.1848 [hep-th]].
9. М. У. Libanov, V. А. Rubakov, о. S. Sazhina and М. У. Sazhin, "СМВ anisotropy induced Ьу tachyonic perturbations of dark energy," Phys. Rev. D 79 (2009) 083521 [arXiv:0812.1459 [astro-ph]].