В настоящее время учёные расширяют границы астрономии. В данный момент обсерватории, подобные космическому телескопу Джеймса Уэбба, получают изображения самых ранних звёзд и галактик во Вселенной, которые сформировались в период, известный как «космические тёмные века». Ранее этот период был недоступен для телескопов, поскольку Вселенная была пронизана облаками нейтрального водорода. В результате сегодня можно наблюдать только реликтовое излучение (РИ) Большого взрыва или спектральную линию 21 см, возникшую в результате реионизации водорода (она же водородная линия).
Теперь, когда завеса «тёмных веков» постепенно отступает, учёные задумываются о следующем рубеже в астрономии и космологии — наблюдении «первобытных гравитационных волн», возникших в результате Большого взрыва. Недавно стало известно, что Национальный научный фонд США (NSF) выделил Чикагскому университету $3,7 млн — первую часть гранта, размер которого может вырасти до $21,4 млн. Цель этого гранта — финансирование разработки телескопов нового поколения, которые позволят картировать РИ и гравитационные волны, возникшие сразу после Большого взрыва.
Гравитационные волны (ГВ), первоначально предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна, представляют собой пульсации в пространстве, возникающие при слиянии массивных объектов, таких как чёрные дыры и нейтронные звёзды. Учёные также предполагали, что ГВ, образовавшиеся во время Большого взрыва, могут быть видны и сегодня в виде фоновых колебаний. В сотрудничестве с Национальной лабораторией имени Лоуренса Беркли (LBNL) исследователи из Чикагского университета в рамках проекта CMB-S4 стремятся построить телескопы и инфраструктуру в Антарктиде и Чили для поиска этих волн.
В настоящее время в совместном проекте участвуют 450 учёных из более чем 100 институтов в 20 странах. Финансирование всего проекта предлагается осуществлять совместно ННФ и Министерством энергетики США, причём часть ННФ будет возглавлять Чикагский университет, а часть Министерства энергетики — Национальная лаборатория Лоуренса Беркли. Ожидается, что общая стоимость проекта составит около $800 млн и он будет введён в эксплуатацию к началу 2030-х годов. Помимо поиска первобытных ГВ, эти телескопы могут также составить невероятно подробную карту РИ и показать, как изменялась Вселенная с течением времени.
Эти телескопы также могут помочь в поисках неуловимой «тёмной Вселенной» и подтвердить существующие космологические модели. Джон Карлстром — профессор астрономии, астрофизики и физики Университета Чикаго (Subrahmanyan Chandrasekhar Distinguished Service Professor of Astronomy and Astrophysics and Physics at UChicago), научный руководитель проекта CMB-S4. «С помощью этих телескопов мы не только проверим нашу теорию о том, как возникла вся наша Вселенная, но и изучим физику в самых экстремальных масштабах, чего мы просто не можем сделать с помощью экспериментов с физикой частиц на Земле», — сказал он в своём заявлении в UChicago News.
Поскольку РИ несёт в себе информацию о рождении Вселенной, учёные занимаются его картированием уже несколько десятилетий. В их число входят такие космические телескопы, как советский «РЕЛИКТ-1», космический фоновый исследователь НАСА (COBE), зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP) и спутник ЕКА «Планк». Эти миссии позволили всё более детально измерить малые температурные анизотропии (флуктуации) в РИ, что даёт подсказки о том, как зарождалась Вселенная. Однако необходимы телескопы достаточно чувствительные для того, чтобы ответить на более глубокие космологические вопросы, например, началась ли Вселенная со всплеска инфляции.
Для этого в рамках проекта CMB-S4 будут созданы невероятно сложные приборы, позволяющие с космических и наземных аппаратов составить карту первых лучей Вселенной. В состав комплекса войдут два новых телескопа на чилийском плато Атакама и девять меньших телескопов на станции NSF «Южный полюс» (SPS). Проект также будет опираться на телескоп «Южный полюс», который работает на станции SPS с 2007 года. Каждый из объектов будет играть важную роль: телескопы в Чили проведут широкое исследование неба, чтобы получить более подробную картину РИ. В то же время телескопы на станции NSF на Южном полюсе будут осуществлять глубокий непрерывный обзор меньшей части неба.
Наблюдения в Чили помогут лучше понять эволюцию и распределение материи, а также найти реликтовые частицы света, которые могли существовать в ранней Вселенной. Телескопы в Антарктиде позволят взглянуть на Вселенную с уникальной точки зрения, поскольку именно здесь Земля вращается вокруг своей оси, что даёт возможность вести непрерывные наблюдения за одним участком неба. Их совместные усилия позволят астрономам искать рябь в пространстве, которая может возникнуть только в пространстве меньшем, чем субатомная частица, внезапно расширяющемся в гораздо больший объём.
По словам физика из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Джима Стрейта (руководителя проекта CMB-S4), это амбициозная, но достойная цель. «Во многих отношениях теория инфляции выглядит хорошо, но большинство экспериментальных доказательств носят несколько косвенный характер», — сказал он. Обнаружение первобытных гравитационных волн стало бы тем, что некоторые называют неопровержимым доказательством инфляции.
Поскольку эти пульсации будут взаимодействовать с РИ и оставлять отчётливую (но очень слабую) сигнатуру, крупномасштабное и непрерывное картирование РИ должно выдать свидетельства их существования. CMB-S4 также должен дать представление о природе тёмной материи и тёмной энергии. Если на долю первой, как предполагается, приходится большая часть массы Вселенной (около 69%), то вторая отвечает за ускорение темпа её расширения. Кроме того, картирование первобытных гравитационных волн поможет учёным найти связь между силами гравитации и квантовой механикой.
Микроволновые детекторы уже настолько чувствительны, что в измерениях преобладают фоновые шумы и локальные помехи. Поэтому планируется оснастить объединённый эксперимент CMB-S4 почти 500 000 сверхпроводящих детекторов, что больше, чем во всех предыдущих экспериментах вместе взятых, и значительно увеличить число измерений, чтобы обеспечить точное измерение уровня сигнала и уменьшить шум. Новый грант NSF поможет профинансировать проектирование новых телескопов и инфраструктуры площадки, которая будет самой сложной из когда-либо построенных.