Дискуссия между ведущими американскими астрофизиками проливает свет на закулисье одного из главных научных открытий рубежа веков — обнаружения ускоренного расширения Вселенной. В беседе с космологом Брайаном Китингом известный астроном Роберт Киршнер подробно разбирает историю открытия темной энергии, амбициозные задачи строящегося Тридцатиметрового телескопа (TMT) и теологическую уверенность Альберта Эйнштейна. Анализ этого диалога позволяет заглянуть внутрь научного процесса, где жесткая конкуренция соседствует со стремлением преодолеть фундаментальное неведение о природе космоса.
🌌 Как опровергнуть Эйнштейна и пережить зависть конкурентов 0:00
Роберт Киршнер стал одним из немногих ученых, чья работа напрямую скорректировала космологические представления Альберта Эйнштейна. Совместно со своими учениками и коллегами, среди которых были Адам Рисс и Брайан Шмидт, он доказал наличие космологической постоянной, которую сам создатель общей теории относительности опрометчиво назвал своей «величайшей ошибкой».
Поводом для воспоминаний послужило обсуждение научно-популярной книги Роберта Киршнера «Экстравагантная Вселенная: взрывающиеся звезды, темная энергия и ускоряющийся космос» (The Extravagant Universe), выпущенной издательством Princeton University Press. Брайан Китинг отметил, что приобрел свое издание более 20 лет назад, в мае 2003 года. На обложке книги изображена знаменитая сверхновая 1987A, снятая космическим телескопом «Хаббл». По признанию автора, этот тип сверхновых не использовался для измерения космологических расстояний, но изображение было выбрано ради интригующего визуального эффекта.
Исторический контекст открытия неразрывно связан с острой человеческой драмой и соперничеством. Брайан Китинг поделился личной историей о том, как в октябре 2011 года он выступал с коллоквиумом в Брауновском университете, чувствуя себя триумфатором после победы в престижном научном конкурсе в Беркли, где его будущий нобелевский лауреат Адам Рисс занял лишь третье место. Однако на следующий день, 11 октября 2011 года, было объявлено о присуждении Нобелевской премии по физике Адаму Риссу, Брайану Шмидту и Саулу Перлмуттеру. Старший брат Китинга тогда иронично заметил: «Брайан, возможно, ты выиграл битву, но Адам выиграл войну».
В тот день Роберт Киршнер произнес свою знаменитую фразу: «Какая сила самая мощная во Вселенной? Это не гравитация, это зависть». Объясняя контекст этого высказывания, астроном подтвердил, что оно адресовано конкурирующей исследовательской группе Supernova Cosmology Project под руководством Саула Перлмуттера из Национальной лаборатории Лоренса в Беркли (LBL). По словам гостя, оппоненты чрезвычайно агрессивно продвигали свои заслуги в прессе, поэтому ему пришлось публично отстаивать приоритет собственной команды High-Z Supernova Search Team.
Роберт Киршнер также указал на фундаментальное различие между журналистикой и профессиональной историей науки. Когда он разослал готовый манускрипт книги Адаму Риссу, Брайану Шмидту, Марку Филлипсу и Алексею Филипенко, коллеги высказали жесткие возражения по поводу хронологии событий. По мнению астронома, человеческая память склонна размывать факты и выстраивать удобные нарративы, поэтому подлинная история должна опираться исключительно на опубликованные документы, а не на сегодняшние воспоминания участников.
🗄️ Скелет в космологическом шкафу: открытие темной энергии 8:09
В 1990-х годах астрофизики не планировали открывать ускорение Вселенной. Роберт Киршнер подчеркнул, что их изначальной целью было измерение замедления космического расширения под действием гравитации. В то время среди теоретиков доминировало убеждение, что Вселенная находится в идеально сбалансированном состоянии, где плотность материи равна критической ($\Omega = 1$).
Однако реальные наблюдения за скоплениями галактик и их рентгеновским излучением упорно давали противоположный результат: плотность материи составляла лишь около одной трети от теоретически предсказанной. Из-за этого возникал тяжелый космологический парадокс: расчетный возраст расширяющейся Вселенной оказывался меньше, чем возраст самых старых звезд. Астрофизик сравнил эту ситуацию с абсурдным сценарием, когда мачеха оказывается моложе своего пасынка.
Решением проблемы могло стать возвращение космологической постоянной, введенной Эйнштейном в ранний период развития общей теории относительности ради поддержания статической модели Вселенной. После того как Эдвин Хаббл доказал факт расширения космоса, Эйнштейн отказался от этой идеи, из-за чего концепция лямбда-члена долгое время пользовалась дурной репутацией в академической среде.
Ситуация обострилась, когда группа Саула Перлмуттера из LBL опубликовала предварительную работу, утверждавшую, что расширение Вселенной замедляется. Роберт Киршнер вспоминает, что это усложнило задачу его команды, чьи данные указывали в прямо противоположную сторону. Преимущество группы High-Z заключалось в более качественных данных с космического телескопа «Хаббл» и наличии в команде таких бескомпромиссных скептиков, как Ник Сунтцефф, который перепроверял каждую деталь фотометрии.
В итоге статья команды High-Z, которая впоследствии легла в основу Нобелевской премии, была отправлена в печать в начале года и вышла в свет до того, как конкуренты успели предоставить свою скорректированную версию. Роберт Киршнер признался, что именно он до последнего тормозил публикацию результатов, поскольку академический багаж старой школы заставлял его с крайней осторожностью относиться к реанимации концепции космологической постоянной.
🕳️ Рекордный провал теоретиков и «резервуар невежества» 18:28
Современные космологические данные демонстрируют, что около двух третей ($2/3$) энергетической плотности Вселенной сосредоточено в форме темной энергии. Это субстанция с отрицательным давлением, заставляющая пространство расширяться с нарастающей скоростью.
Роберт Киршнер обратил внимание на беспрецедентный кризис в теоретическом понимании этого феномена. Если заставить физика-теоретика рассчитать плотность энергии вакуума через планковскую длину, результат разойдется с реальными астрономическими наблюдениями на 120 порядков. По утверждению гостя, это худшее количественное согласие между теорией и практикой во всей истории физической науки.
Для раскрытия природы темной энергии сегодня создаются масштабные международные проекты. Собеседники выделили два ключевых инструмента:
- Euclid: Недавно запущенный космический спутник Европейского космического агентства, специально предназначенный для картирования темной энергии.
- Nancy Grace Roman Space Telescope: Телескоп НАСА, именуемый среди разработчиков «самым дорогим бесплатным телескопом в мире», поскольку базой для него послужит безвозмездно переданный военными разведывательный спутник, перенаправленный в глубокий космос.
Несмотря на технологический прогресс, природа темной энергии и темной материи остается неизвестной. Роберт Киршнер подчеркнул, что ему импонирует этот огромный «резервуар невежества», поскольку он оставляет колоссальное поле деятельности для будущих поколений исследователей.
Брайан Китинг напомнил о высокомерии, которое часто приписывают великим ученым. Так, после затмения 1919 года Альберт Эйнштейн заявил, что если бы его теория не подтвердилась, ему было бы жаль Господа Бога, поскольку уравнения все равно верны. Однако Китинг добавил малоизвестный исторический нюанс: за пять лет до этого, в 1914 году, уравнения Эйнштейна содержали ошибку в два раза. Если бы Первая мировая война не сорвала астрономические экспедиции 1914 года, Эйнштейн был бы публично опровергнут.
🔭 Земной Тридцатиметровый телескоп против космического JWST 26:32
В астрономическом сообществе ведется дискуссия о целесообразности строительства гигантских наземных обсерваторий при наличии успешно работающего космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST). Роберт Киршнер объяснил, что зеркало JWST составляет 6,5 метра, в то время как Тридцатиметровый телескоп (TMT) предложит принципиально иные масштабы сбора света.
Строящиеся экстремально большие наземные телескопы (ELT) обладают следующими преимуществами:
- Предельное разрешение: Работая на дифракционном пределе, TMT обеспечит качество изображений, превосходящее JWST в четыре раза по каждому направлению.
- Высокодисперсионная спектроскопия: Способность детально расщеплять световой поток позволит изучать химический состав атмосфер экзопланет на предмет поиска биосигнатур, например кислорода, выделяемого простейшими водорослями.
- Доступ к ультрафиолетовому спектру: В отличие от инфракрасного космического JWST, наземные обсерватории эффективны в синей и ультрафиолетовой частях спектра, что критически важно для анализа ранней Вселенной.
Основной научной целью TMT станет детальное изучение эпохи реионизации, когда нейтральный газ в молодой Вселенной стал ионизированным под воздействием первого излучения. Ученым до сих пор неизвестно, что послужило главным источником этого процесса — первые горячие звезды или активность сверхмассивных черных дыр в формирующихся галактиках.
Кроме того, использование систем адаптивной оптики (AO), компенсирующих турбулентность земной атмосферы, позволяет отслеживать орбиты отдельных звезд в центре нашей Галактики вокруг сверхмассивной черной дыры. За эту работу Андреа Гез и Райнхард Генцель уже получили Нобелевскую премию. С помощью TMT астрономы рассчитывают провести еще более точные тесты общей теории относительности в условиях экстремальной гравитации черных дыр.
💥 Существует ли «кризис» теории Большого взрыва? 34:55
Снимки глубоких полей JWST зафиксировали неожиданно зрелые галактики на высоких красных смещениях, что породило волну публикаций в медиа о «крахе» теории Большого взрыва или о том, что Вселенной на самом деле 26 миллиардов лет.
Роберт Киршнер убежден, что подобные радикальные заявления абсолютно не обоснованы имеющимися данными. По мнению исследователя, обнаруженные аномалии свидетельствуют не об ошибочности концепции расширяющейся Вселенной, а о несовершенстве теоретических моделей формирования ранних галактик.
Астроном выделил два фактора, объясняющих феномен ярких ранних галактик:
- Вспышки светимости: На ранних этапах галактики могли развиваться неравномерно, испытывая мощные кратковременные всплески звездообразования, когда всего несколько массивных звезд резко увеличивали общую яркость объекта.
- Эффект размытия: Из-за малых физических размеров ранних галактик JWST не способен разрешить их внутреннюю структуру, сливая весь испускаемый свет в единую яркую точку.
Использование Тридцатиметрового телескопа позволит увеличить пространственное разрешение в четыре раза. Это поможет астрономам увидеть, являются ли данные объекты однородными или комковатыми, что даст ключ к пониманию реальных механизмов сборки вещества в ранней Вселенной.
🏔️ Социальный компромисс и новая география астрономии 39:42
Проект Тридцатиметрового телескопа столкнулся со сложнейшим социальным кризисом. В 2019 году строительные работы на священной для коренных гавайцев горе Мауна-Кеа были заблокированы масштабными протестами местного населения.
Несмотря на остановку на площадке, техническая реализация проекта продолжается:
- Производство зеркал: Из необходимых 492 шестиугольных сегментов главного зеркала изготовлено уже около 100.
- Интернациональная кооперация: Производственная линия по обработке зеркал развернута силами индийских коллег, использующих технологии, аналогичные калифорнийским заводам, создававшим оптику для телескопов Кек и JWST.
- Финансовая поддержка: В 2023 году Национальный научный фонд США (NSF) выделил 6,5 миллиона долларов на стадию проектирования и разработки.
Роберт Киршнер подчеркнул, что руководство проекта извлекло тяжелые уроки и полностью пересмотрело подход к взаимодействию с местным сообществом. Проект перешел на рельсы так называемой «общественной астрономии» (community astronomy). Вместо формального информирования ученые занимаются глубокой интеграцией в жизнь Гавайев, организуя, к примеру, программы бесплатного индивидуального онлайн-репетиторства по математике для школьников из сельских районов в период пандемии.
В самой структуре управления горой произошли тектонические сдвиги. На смену администрированию со стороны Университета Гавайев, вызывавшему раздражение у населения, пришел новый орган — Управление по надзору и опеке над Мауна-Кеа (MKSOA). В этот комитет из 12 человек вошли представители коренного населения с правом прямого голоса. Интересы астрономического сообщества в Совете представляет директор обсерватории Кек Рич Матсуда.
Если консенсус на Гавайях так и не будет достигнут, у проекта TMT имеется официально утвержденная альтернативная площадка на острове Ла-Пальма в Канарском архикале (Испания). Она уступает Мауна-Кеа по высоте и сухости воздуха, но полностью готова принять телескоп с юридической и инфраструктурной точек зрения.
🧪 Обратная сторона нобелевской гонки: наставничество и этика 56:24
Брайан Китинг затронул деликатную тему профессиональной этики, напомнив о давнем заявлении нобелевского лауреата Брайана Шмидта, который охарактеризовал рабочую атмосферу периода открытия темной энергии как «токсичную», а наставничество со стороны старших коллег — как неудовлетворительное.
Роберт Киршнер выразил несогласие с излишне мрачными оценками. Признавая наличие определенных рабочих трений, ученый охарактеризовал внутреннюю атмосферу в команде High-Z как весьма теплую и коллегиальную. Он с иронией вспомнил, что хотя формально считал себя руководителем, ключевые процессы в реальности направлялись энергичными постдоками и аспирантами.
По мнению Киршнера, ожесточенное соперничество с группой Саула Перлмуттера пошло на пользу мировой науке. Параллельная работа двух независимых команд, пришедших к одинаковому революционному выводу, застраховала астрофизику от трагических ошибок в расчетах и обеспечила мгновенное признание результата. Подводя итог, исследователь отметил, что не стал бы менять стратегию управления коллективом, поскольку им удалось сохранить мотивацию всех участников гонки.
