В новом выпуске программы StarTalk астрофизик и космолог Брайан Китинг (Brian Keating) вместе с Нилом Деграссом Тайсоном обсуждают одну из самых драматичных историй в современной науке — ложное обнаружение первичных гравитационных волн и то, как эта неудача привела к созданию сверхмощной Обсерватории Саймонса. Участники дискутируют о теории инфляции, поиске ответов на вопрос «что было до Большого взрыва» и попытках взвесить самые неуловимые частицы во Вселенной — нейтрино.
🏆 Драма BICEP 2: Нобелевская премия, превратившаяся в пыль 5:08
В 2014 году заголовки мировых СМИ, включая New York Times, провозгласили научную сенсацию: эксперимент BICEP 2 обнаружил «рябь пространства-времени», подтверждающую теорию инфляции Вселенной . Брайан Китинг, создатель предшествующего эксперимента BICEP 1, описывает этот момент как высшую точку своей карьеры, которая быстро сменилась публичным унижением.
Ключевые факты о проекте BICEP:
- Аббревиатура: Background Imager of Cosmic Extragalactic Polarization (Фоновый имиджер космической внегалактической поляризации) .
- Цель: Поиск B-мод поляризации — специфического закрученного узора в реликтовом излучении, который могли оставить только первичные гравитационные волны.
- Локация: Южный полюс, Антарктида .
- Стоимость: Около 10 миллионов долларов США (для сравнения, европейский спутник Planck стоил около 1 миллиарда евро) .
По словам Китинга, команда пала жертвой «предвзятости подтверждения» . Сигнал, который они приняли за эхо Большого взрыва, оказался излучением космической пыли в нашей Галактике. Как иронично замечает гость, «пыль для одного астронома — это потерянная Нобелевская премия для другого» . Ошибка произошла из-за того, что BICEP 2 работал только в одном диапазоне частот и не смог отличить космический сигнал от локального «шума» .
🌬️ Теория инфляции: что заставило Большой взрыв «взорваться»? 13:57
Центральной темой беседы стала теория космической инфляции, предложенная Аланом Гутом в начале 1980-х годов . Эта теория отвечает на фундаментальный вопрос: что послужило искрой для расширения Вселенной?
Аргументы в пользу инфляции:
- Проблема горизонта: Температура реликтового излучения (CMB) идентична в противоположных концах неба с точностью до тысячных долей градуса (2,726 Кельвина) .
- Равновесие: Без сверхбыстрого расширения разные части Вселенной просто не успели бы «обменяться» температурой и прийти к такому единообразию .
- Квантовые флуктуации: По мнению Китинга, всё, что мы видим — галактики, звезды и сами люди — это результат крошечных квантовых флуктуаций, раздутых инфляцией до космических масштабов .
Брайан Китинг утверждает, что инфляция предполагает наличие квантового поля (инфлатона), которое заполнило пустоту и вызвало экспоненциальное расширение . Оба собеседника сошлись во мнении, что если инфляция верна, то она почти неизбежно ведет к концепции Мультивселенной .
🕶️ Физика поляризации и «космические очки» 20:42
Для поиска следов инфляции ученые используют поляризацию света. Китинг приводит аналогию с поляризационными солнечными очками: они блокируют блики, пропуская свет только определенной ориентации .
Процесс измерения в космологии выглядит так:
- Свет (реликтовое излучение) обладает интенсивностью, цветом и поляризацией .
- Гравитационные волны воздействуют на материю в ранней Вселенной (через 400 000 лет после начала), заставляя фотоны поляризоваться определенным образом .
- Детекторы Обсерватории Саймонса охлаждаются до 0,1 градуса выше абсолютного нуля, чтобы уловить эти изменения, составляющие миллиардные доли градуса .
🔭 Обсерватория Саймонса: работа над ошибками 11:16
После фиаско с BICEP 2 миллиардер и математик Джим Саймонс (Jim Simons) не отозвал финансирование, а, наоборот, решил масштабировать проект . Так появилась Обсерватория Саймонса (Simons Observatory), главным исследователем которой является Китинг .
Стратегия нового проекта:
- Использование нескольких диапазонов («цветов») микроволнового излучения .
- Это позволяет точно идентифицировать сигнатуру пыли и вычесть её из общих данных, обнажив (если он существует) истинный сигнал от Большого взрыва .
❓ Вопросы происхождения: до Большого взрыва и после него 28:09
Отвечая на вопросы слушателей, Китинг затронул тему циклических моделей Вселенной. Стивен Хокинг утверждал, что спрашивать «что было до Большого взрыва» бессмысленно, так как время возникло вместе с ним . Однако Китинг считает, что наука может проверить альтернативы: например, модель «Большого отскока» (Big Bounce), где наша Вселенная возникла из схлопнувшейся предыдущей .
Важные научные факты из ответов на вопросы:
- Реликтовое излучение (CMB): В каждом кубическом сантиметре пространства находится в среднем 419 фотонов, оставшихся от Большого взрыва .
- Будущее CMB: Через миллиарды лет микроволны растянутся и станут радиоволнами из-за расширения Вселенной .
- Анизотропия: Неоднородности в реликтовом излучении объясняются квантовыми флуктуациями. Без них материя не смогла бы собраться в сгустки, и галактики бы не сформировались .
⚛️ Поиск новых частиц и взвешивание нейтрино 46:50
Обсерватория Саймонса — это не только инструмент для изучения начала времен, но и гигантские «весы» для элементарных частиц. Китинг отмечает, что из 17 известных фундаментальных частиц мы до сих пор не знаем точную массу трёх типов нейтрино .
По словам исследователя, Обсерватория Саймонса сможет «взвесить» нейтрино, изучая их влияние на формирование крупномасштабной структуры Вселенной . Хотя нейтрино в миллионы раз легче электрона, их совокупная масса оставляет заметный отпечаток на том, как распределяется материя в космосе .
Нил Деграсс Тайсон подытоживает, что вопросы происхождения — самые сложные в науке . Изучение того, как родилась наша Вселенная, неизбежно ставит вопрос о том, как возникла Мультивселенная, отодвигая разгадку всё дальше в прошлое, что и делает работу космологов бесконечно захватывающей .
