Нобелевская премия по физике 2019: флуктуации микроволнового фона

9 Окт 2019

На этой неделе Нобелевский комитет объявил о присуждении премии по физике 2019 г. за работы в области исследования космоса Джеймсу Пиблсу и совместно Мишелю Майору и Дидье Кело. Пиблс получил премию за работы в области физической космологии, а Майор и Кело — за открытие первой экзопланеты вращающейся вокруг звезды, подобной нашему Солнцу.

Ill. Niklas Elmehed. © Nobel MediaРаботы исследователей экзопланет были выполнены относительно недавно — первая планеты у солнцеподобной звезды была обнаружена в 1995 г.

Работы Джеймса Пиблса (James Peebles), профессора университета Принстона, США, берут начало в 1970-х годах, когда космология была во многом теоретической наукой, активно развивавшейся в нескольких центрах в мире. Колоссальный вклад в развитие этого направления внесла группа академика Якова Борисовича Зельдовича, тогда сотрудника Института прикладной математики, а позже — Института космических исследований Академии наук.

В объявлении Нобелевского комитета отмечается роль наших соотечественников в развитии космологии наравне с группой Джеймса Пиблса. В развёрнутом описании «нобелевских» работ, в частности, говорится:

«Прорыв в понимании акустических волн и пиков, которые они вызывают в спектре мощности реликтового излучения (космического микроволнового фона, cosmic microwave background, CMB), произошел благодаря работам Рашида Сюняева и Якова Зельдовича [27], а также Пиблса и Джера Ю [28]. Сюняев и Зельдович [27] дали физическое объяснение акустических пиков и их периодической природы. Пиблс и Ю [28] сосредоточились на другом аспекте, используя численные методы для расчета и прогнозирования того, что на самом деле можно измерить. В своей работе они рассчитали спектры мощности флуктуаций плотности для разных космологических параметров. В частности, они представили кривую, показанную на рисунке 3, которая удивительно похожа на фактические измерения спутника «Планк» на рисунке 4, полученные более четырех десятилетий спустя» (числа в квадратных скобках относят к соответствующим статья в списке литературы).

Решение Нобелевского комитета в интервью Sueddeutsche Zeitung комментирует космолог Эйитиро Комацу (Eiichiro Komatsu), директор Института астрофизики Общества имени Макса Планка (Германия):

«Нам потребовалось 30 лет, чтобы открыть эти звуковые волны, но теперь мы узнаем из них все больше и больше, — говорит профессор Комацу. — Это похоже на суп мисо: наблюдая волны в супе, можно сделать вывод о том, сколько в нем мисо-пасты или тофу». Иичиро ожидал, что Нобелевская премия будет присуждена за эти результаты, но он удивлен, что его коллега по институту Рашид Сюняев не удостоился этой чести, хотя выполнил аналогичную работу параллельно. «Все в этой области знают, что оба заслуживают признания, мы все основываемся на их работах», — говорит Комацу.

08.10.2019. Объявление лауреатов Нобелевской премии по физике 2019 года


Космический микроволновой фон — «слепок» ранней Вселенной в то время, когда ей было всего около 380 тысяч лет. До этого времени Вселенная была настолько горячей, что всё вещество было ионизовано и фотоны не свободно распространяться, так как они рассеивались на свободных электронах. Приблизительно через 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что протоны и электроны смогли образовать нейтральные атомы (этот процесс называется рекомбинацией), а излучение — фотоны — «оторваться» от вещества и начать свободное путешествие. Именно эти фотоны, которые мы можем регистрировать сегодня, называют космическим микроволновым фоном.

В этой ранней плотной Вселенной существовали акустические волны — периодические возмущения её плотности. В 1970 г. в работе Я.Б. Зельдовича и Р.А. Сюняева, названной в нобелевском тексте, было отмечено, что эти стоячие звуковые волны подходят к моменту рекомбинации водорода с разными фазами, которые зависят от длины волны возмущения. В результате формируется своеобразная зависимость амплитуды возмущений от длины волны, на графике эта зависимость показана в виде «пиков».

Важно, что эти пики, в принципе, можно обнаружить экспериментально, по тому, как изменяется температура микроволнового фона. Её средняя величина 2.7 градуса Кельвина, но точные значения очень слабо меняются от участка к участку, и эти малые вариации на самом деле — «следы» тех процессов, что происходили в ранней горячей Вселенной.

Тогда, в 1970 году уровень наблюдательной техники не позволял зарегистрировать эти акустические пики. Сам Яков Борисович Зельдович не очень-то верил, что этот предсказанный эффект будет когда-нибудь найден, и своей рукой внёс в аннотацию статьи следующую фразу: «Детальное исследование спектра флуктуаций, в принципе, может позволить выяснить природу первичных возмущений плотности, так как адиабатическим возмущениям свойственна своеобразная периодическая зависимость спектральной плотности возмущений от длины волны (массы). Практические наблюдения весьма трудны из-за малости эффекта и из-за наличия флуктуаций, связанных с дискретными источниками излучения». Но эксперименты 1990-х годов на аэростатах Boomerang и Maxima, а потом с помощью спутников WMAP и Planck уже в новом тысячелетии позволили не просто обнаружить такие пики в спектре мощности угловых флуктуаций реликтового излучения, но и использовать их для определения основных параметров Вселенной. Именно благодаря этим работам космология превратилась в точную науку, что было отмечено в формулировке Нобелевского комитета.

Дополнительная информация: 
  1. Объявление Нобелевского комитета: Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2019 Physical Cosmology and an Exoplanet Orbiting a Solar-Type Star (.pdf)
  2. 08.10.2019. Интервью Иичиро Комацу. "Wir schauen in den Anfang des Universums hinein". Sueddeutsche Zeitung, von Marlene Weiß.
  3. Sunyaev R. A., Zeldovich Y. B. Small-Scale Fluctuations of Relic Radiation, Ap&SS, 7, 3 (1970)
  4. Peebles P. J. E., Yu J. T. Primeval Adiabatic Perturbation in an Expanding Universe, ApJ, 162, 815 (1970)