В новом выпуске подкаста Брайана Китина «Into the Impossible» известная физик-теоретик Кейти Фриз рассказывает о революционном открытии потенциальных свидетельств существования «темных звезд» с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба. Эти гипотетические объекты, питаемые аннигиляцией темной материи, а не термоядерным синтезом, способны полностью изменить наши представления о ранней Вселенной и разрешить острые космологические противоречия. Собеседники подробно обсуждают широкий круг тем: от научного наследия Стивена Вайнберга и кризиса постоянной Хаббла до природы темной энергии и философии научного просвещения.
🌌 Наследие Стивена Вайнберга и дух теоретической физики 2:11
Около полутора лет назад ушел из жизни выдающийся физик Стивен Вайнберг. По мнению Кейти Фриз, Вайнберг без преувеличения являлся величайшим физиком нашего времени, и с этой оценкой солидарно практически все научное сообщество. Он выступил ключевым теоретиком, стоявшим за созданием Стандартной модели физики элементарных частиц, описав слияние кварков и лептонов при высоких энергиях и разработав теорию электрослабого взаимодействия в ранней Вселенной.
Помимо академических заслуг, Вайнберг запомнился коллегам как исключительно добрый человек, настоящий «менш» (достойный человек). Его карьера и многолетнее дружеское соперничество с солауреатом Шелли Глэшоу начались еще со школьной скамьи и продолжались в Корнеллском и Гарвардском университетах. Сегодня Кейти Фриз возглавляет Институт теоретической физики им. Вайнберга в Техасском университете в Остине, бережно сохраняя традиции своего великого коллеги.
⚖️ Хаббловское напряжение и ранняя темная энергия 3:57
Одной из самых обсуждаемых загадок в современной астрофизике остается так называемое хаббловское напряжение. Проблема заключается в том, что данные по реликтовому излучению (CMB), относящиеся к ранней эпохе, дают значение постоянной Хаббла около 67 км/с/Мпк. В то же время измерения по сверхновым, отражающие состояние более современной Вселенной, показывают значение около 72 км/с/Мпк.
Статистическое расхождение между этими методами уже достигло критического уровня в 5 сигма. Кейти Фриз напоминает, что в годы её учебы в аспирантуре споры велись между лагерями, утверждавшими значения 50 и 100. Астроном Венди Фридман полагает, что новые наблюдательные данные могут сблизить эти позиции, однако пока загадка остается неразрешенной.
В качестве перспективного теоретического объяснения Кейти Фриз выделяет модель «ранней темной энергии» (Early Dark Energy). Согласно этой гипотезе:
- В ранней Вселенной существовала вакуумная компонента, которая никогда не доминировала полностью.
- Она играла важную роль непосредственно перед формированием реликтового излучения.
- Этот вакуум внезапно исчез в строго определенный момент времени.
По признанию Фриз, её физическая интуиция усматривает в таком поведении признаки фазового перехода. Она и её команда исследуют фазовые переходы первого рода, в процессе которых образуются пузыри новой фазы, напоминающие кипящую воду. Этот теоретический подход получил название «цепная ранняя темная энергия» (chain early dark energy). Столкновения таких пузырей должны генерировать реликтовые гравитационные волны. Их невозможно зафиксировать детекторами вроде LIGO, однако они могут формировать стохастический фон гравитационных волн, обнаружение которого недавно подтвердил консорциум NANOGrav. Хотя общепринятая интерпретация связывает данные NANOGrav со слиянием сверхмассивных черных дыр, Фриз считает, что модель столкновения пузырей может соответствовать наблюдениям даже лучше.
🎈 Эпоха инфляции и «естественные» аксионы 8:29
Обсуждая историю космологических открытий, Брайан Китинг вспомнил об огромном резонансе 2013–2014 годов, вызванном первыми данными эксперимента BICEP. На тот момент казалось, что обнаруженные сигналы идеально подтверждают разработанную Кейти Фриз модель «естественной инфляции» (natural inflation). Несмотря на то, что открытие BICEP оказалось преждевременным из-за неучтенного влияния космической пыли, фундаментальная идея Фриз сохраняет свою актуальность и сегодня в различных модификациях.
В основе модели «естественной инфляции» лежит использование гипотетической частицы — аксиона. Исторически концепция аксиона была предложена Стивеном Вайнбергом и Фрэнком Вильчеком для решения проблем сильного взаимодействия в квантовой хромодинамике. Однако сегодня термин «аксион» используется физиками более широко для описания любых частиц с аналогичной математической структурой.
Для успешного протекания инфляции необходим вакуумный потенциал, обладающий двумя ключевыми характеристиками:
- Потенциал должен быть очень пологим (плоским), чтобы Вселенная могла расширяться достаточно долго.
- Он должен обладать большой шириной при относительно малой высоте, чтобы избежать перепроизводства неоднородностей плотности, наблюдаемых в реликтовом излучении.
В стандартных моделях физики элементарных частиц высота и ширина потенциала обычно жестко связаны между собой. Преимущество аксионного подхода, предложенного Фриз, заключается в естественном разделении этих двух масштабов, что делает аксион идеальным и математически обоснованным кандидатом на роль инфлатона.
🛠️ Баланс теории и эксперимента: «экспериментальный минимум» 12:10
Брайан Китинг процитировал известную в академических кругах полушутливую формулу: «Теоретику достаточно оказаться правым один раз в жизни, чтобы сделать выдающуюся карьеру, а экспериментатору достаточно ошибиться лишь единожды, чтобы её погубить». Кейти Фриз не вполне согласна с таким радикализмом. Она подчеркивает, что творческий процесс теоретика жестко ограничен требованиями математической самосогласованности и необходимостью соответствовать всем имеющимся экспериментальным данным. Публикация грубой ошибки может нанести карьере теоретика не меньший ущерб.
По признанию Фриз, большинство её собственных идей «умирают» в течение десяти минут или недели после обсуждения. Физика, которой она занимается, обязана быть проверяемой экспериментально в обозримом будущем, а не через 300 лет. Именно поэтому её бренд неразрывно связан с постоянным взаимодействием с экспериментаторами.
Фриз активно поддерживает проект Simons Observatory, поскольку он нацелен на поиск первичных B-мод поляризации реликтового излучения, способных доказать её теорию инфляции. Кроме того, космологические исследования Фриз позволяют накладывать жесткие ограничения на массу нейтрино. Для этой работы она в свое время наняла постдока Мартину Гербино, которая сегодня выросла в одного из лидеров Simons Observatory. Фриз также активно сотрудничает с бывшим постдоком Китинга Николасом Галицки, которого пригласила на работу в Техасский университет. Среди других её ярких экспериментальных концепций прошлых лет — разработка детектора темной материи на основе ДНК совместно с Давидом Сперджелем.
☕ Космический коктейль и загадка темной энергии 16:34
Согласно современным космологическим представлениям, около 95% состава Вселенной приходится на скрытые компоненты: примерно 70% составляет темная энергия, а оставшуюся часть «космического коктейля» — темная материя. Кейти Фриз иронично замечает, что на данном этапе темную энергию можно смело назвать «тарабарщиной» (gobbledygook), поскольку наука знает о ней ничтожно мало.
В 2002 году, размышляя над тем, как избежать введения этой загадочной субстанции, Фриз предложила альтернативную концепцию, получившую ироничное название «Кардассианская космология» (в честь расы из сериала «Звездный путь»). Суть идеи заключалась в следующем:
- Вселенная состоит только из привычной материи и излучения (фотонов), а никакой темной энергии не существует.
- Наш трехмерный мир представляет собой мембрану (брану), расположенную в многомерном пространстве по соседству с другой мембраной.
- Гравитационное влияние скрытых дополнительных измерений меняет фундаментальные уравнения Эйнштейна.
В модифицированных уравнениях Фридмана — Робертсона — Уокера появляется дополнительный член, который начинает играть важную роль лишь на поздних этапах эволюции Вселенной, вызывая её наблюдаемое ускоренное расширение. Позже многие физики развили этот подход в рамках теорий модифицированной гравитации (таких как галилеоны или теория Хорндески). Однако, как констатирует Фриз, большинство этих моделей были впоследствии опровергнуты открытием того, что гравитоны движутся со скоростью света. В итоге она прекратила работу в данном направлении, посчитав задачу слишком сложной.
🧠 Философия, мультиверс и происхождение Вселенной 20:39
Космологические исследования неизбежно затрагивают глубокие философские и теологические вопросы. Кейти Фриз отмечает, что среди её коллег есть как убежденные атеисты, опирающиеся исключительно на уравнения, так и глубоко религиозные люди. Сама она убеждена, что такие фундаментальные загадки, как происхождение времени, являются строгими физическими, а не метафизическими вопросами, и наука со временем найдет на них ответы.
При этом Фриз критически относится к популярной идее мультиверса (множественной Вселенной). По её мнению, концепция мультиверса — это «попытка уклониться от ответа». Сторонники мультиверса утверждают, что мы живем в той области пространства, где фундаментальные константы (например, электрическая постоянная) случайно оказались пригодными для зарождения жизни. Фриз не принимает этот аргумент и настаивает на поиске точной физической причины, объясняющей, почему константы имеют именно такие значения.
Она с сожалением замечает, что современные студенты редко задумываются о подобных масштабных проблемах ранней Вселенной, предпочитая фокусироваться на узких практических задачах — сборке криостатов растворения, расчетах или программировании.
📢 Научное просвещение, наставничество и академические барьеры 23:04
Педагогическая философия Кейти Фриз строится на умении находить контакт со студентами и широкой аудиторией. В настоящее время она читает курс физики для студентов гуманитарных специальностей. По её мнению, главная задача такого преподавателя — зажечь в людях интерес. Для этого Фриз активно использует сторителлинг, рассказывая личные истории или исторические анекдоты о Тихо Браге и Галилее. Она прагматично добавляет, что кто-то из этих студентов в будущем может стать политиком, распределяющим бюджетное финансирование науки.
Особое место в её карьере занимает наставничество и поддержка молодых женщин-ученых. Фриз на протяжении многих лет консультировала начинающих исследовательниц по вопросам прохождения собеседований и построения карьеры. Её самой первой аспиранткой была Жанна Левин, которая сегодня сама является всемирно известным физиком и популяризатором науки.
Фриз убеждена, что ученые обязаны заниматься популяризацией и общаться с налогоплательщиками, которые оплачивают их труд. Тем не менее, академическая среда часто демонстрирует закостенелость в этом вопросе:
- Фриз разработала уникальный учебный курс по развитию коммуникативных навыков у физиков, привлекая экспертов по технике речи и дыханию. Курс был закрыт коллегами под предлогом нехватки «академической строгости».
- Жанна Левин в начале карьеры столкнулась с предупреждениями коллег, что написание научно-популярной книги лишит её шансов на получение работы.
- Брайану Китингу один из нобелевских лауреатов прямо заявил, что университет не станет наказывать его за написание книг, но и не предоставит для этого оплачиваемый творческий отпуск (саббатикал).
⭐ Загадка темных звезд: рождение новой концепции 28:40
Центральной темой беседы стала разработанная Кейти Фриз революционная концепция «темных звезд». Это гипотетические космические объекты, представляющие собой самую первую фазу звездной эволюции во Вселенной, энергия которых генерируется не термоядерным синтезом, а теплом от аннигиляции темной материи.
Идея родилась в 2007 году во время визита Фриз в Беркли. Аспирант Дуг Споляр обратился к ней с предложением сделать совместный проект по темной материи. После множества неудачных попыток и выброшенных в корзину черновиков Фриз, Споляр и присоединившийся к ним Паоло Гондоло сформулировали совершенно новую физическую модель.
Согласно их теории, спустя примерно 200 миллионов лет после Большого взрыва в центрах протогалактик начали коллапсировать облака молекулярного водорода и гелия. В рамках стандартной модели этот коллапс продолжается до тех пор, пока объект не сожмется до минимальных размеров и в нем не запустится термоядерный синтез. Однако Фриз и её коллеги задались вопросом: что произойдет, если учесть колоссальную плотность темной материи в центрах этих ранних гало?
Если темная материя состоит из вимпов (WIMPs) или определенных типов самовзаимодействующих частиц, то они должны аннигилировать при столкновении друг с другом. Продукты этой аннигиляции сталкиваются с атомами водорода, и выделяющаяся энергия оказывается запертой внутри коллапсирующего облака, превращаясь в мощный источник тепла. Данный процесс останавливает дальнейшее сжатие водородного облака. В итоге формируется стабильный объект, полностью удовлетворяющий всем четырем уравнениям звездной структуры и находящийся в гидростатическом равновесии.
Характеристики первичной темной звезды поражают воображение:
- Начальная масса: сопоставима с массой Солнца.
- Физический размер: около 10 астрономических единиц (в 10 раз больше расстояния от Земли до Солнца).
- Температура: это огромный, «пушистый» и холодный объект. Аннигиляция темной материи, в отличие от термоядерного синтеза, не требует высоких температур.
Поскольку звезда остается холодной и протяженной, на нее из окружающего пространства может непрерывно падать колоссальное количество вещества. В результате такие объекты способны разрастаться до колоссальных масштабов, достигая миллиона масс Солнца и превосходя его по яркости в миллиард раз. В 2010 году создатели телескопа «Джеймс Уэбб» Джон Мазер и Джонатан Гарднер попросили команду Фриз рассчитать теоретические спектры этих объектов, чтобы понять, как именно их искать на практике. Эту задачу успешно решил тогдашний аспирант Фриз — Космин Илие.
🔭 Данные телескопа «Джеймс Уэбб» и спектры JADES 33:13
С началом работы космического телескопа JWST астрофизики получили доступ к уникальным данным из глубокого космоса. Одна гипотетическая сверхмассивная темная звезда способна светить так же ярко, как целая ранняя галактика, состоящая из миллионов обычных звезд.
В рамках углубленного внегалактического обзора JADES (James Webb Extragalactic Advanced Deep Survey) исследователи обнаружили множество объектов на экстремальных красных смещениях (в районе $z \approx 11$). На момент публикации работы команды Фриз были подтверждены чистые спектры для девяти объектов ранней Вселенной, пять из которых имели публично доступные данные. Из четырех детально изученных объектов три оказались полностью совместимы с теоретической моделью темной звезды (включая объект JADES-GS-z11-0).
Главным критерием верификации служит структура спектра излучения:
- Спектр темной звезды: представляет собой идеальное абсолютно черное тело, содержащее подписи исключительно водорода и гелия, поскольку более тяжелые элементы в ту эпоху еще не сформировались.
- Спектр галактики-конкурента: неизбежно содержит следы переработанных элементов последующих поколений звезд — углерода, азота, неона и других металлов.
Кейти Фриз поясняет, что получение более чистых спектров высокого разрешения позволит окончательно подтвердить или опровергнуть природу этих объектов. Темные звезды принципиально отличаются от другого гипотетического класса — звезд Популяции III. Последние представляют собой классические горячие термоядерные звезды, масса которых из-за высокой температуры и радиационного давления физически не может превышать примерно 1000 масс Солнца. Темные звезды тяжелее их в тысячи раз и несравнимо ярче. Фриз добавляет, что они могли формироваться только в ранней Вселенной из первозданного чистого газа, поэтому мы не ожидаем встретить блуждающую темную звезду в современном Млечном Пути. Огромную роль в их дальнейшем изучении должно сыграть гравитационное линзирование, многократно усиливающее приходящий сигнал.
📰 Кликбейт против науки: парадокс зрелых ранних галактик 37:00
Новые данные JWST породили волну спекуляций в научно-популярных СМИ. Издания вроде New Scientist или Phys.org стали выходить с громкими кликбейтными заголовками в духе «Большого взрыва никогда не было» или заявлениями физика Раджендры Гупты о том, что Вселенной на самом деле 26 миллиардов лет. Брайан Китинг отмечает, что подобные сенсации вспыхивают регулярно — аналогичный шум возникал в 1996 году при публикации глубоких снимков телескопа «Хаббл». Сторонники альтернативных концепций апеллируют к тестам Толмена, эффекту «старения света» или изменению фундаментальных констант со временем.
Тем не менее, реальная научная проблема (так называемый парадокс зрелых ранних галактик) действительно существует. Астроном Элисон Киркпатрик ранее отмечала, что ученые были озадачены обнаружением развитых спиральных галактик на столь ранних этапах эволюции Вселенной. Модели формирования структур в рамках стандартной космологической парадигмы Лямбда-CDM предсказывают гораздо меньшее число массивных и ярких объектов в ту эпоху.
Внедрение концепции темных звезд изящно решает это противоречие двумя путями:
- Смена интерпретации: если часть обнаруженных телескопом «монстров» является не огромными зрелыми галактиками, а одиночными сверхмассивными темными звездами, это автоматически снимает аномалию избыточной массы ранних галактик.
- Учет эддингтоновского смещения: данное наблюдательное искажение приводит к тому, что при наличии большого числа тусклых объектов погрешности измерений заставляют их казаться аномально яркими, что необходимо строго учитывать при байесовском анализе данных.
Кейти Фриз подчеркивает, что твердо намерена «стоять на своем» и надеется, что значительная часть этих загадочных ранних объектов в итоге окажется именно темными звездами.
🤝 Синергия в Остине и главная ошибка прошлого 42:23
В финале беседы Брайан Китинг поделился своим правилом «экспериментального минимума». Он требует, чтобы его студенты-экспериментаторы знали теоретическую физику на уровне поступающих теоретиков. В ответ Кейти Фриз сформулировала встречное требование для теоретиков: они обязаны постоянно общаться с авторами экспериментов.
В Техасском университете в Остине эта синергия реализована на практике: астрономы и физики разных профилей делят одно здание и пользуются одним лифтом. Каждый вторник в рамках Института Вайнберга проходят совместные рабочие обеды, где теоретики, астрономы и экспериментаторы, занимающиеся поиском темной материи, напрямую обмениваются идеями.
Отвечая на вопрос Китинга, сформулированный на основе законов Артура Кларка — о том, в чем выдающийся ученый ошибался сильнее всего в своей жизни — Кейти Фриз вспомнила времена своей молодости. В годы её студенчества среди теоретиков царила абсолютная, непоколебимая уверенность в том, что космологическая постоянная Лямбда ($\Lambda$) строго равна нулю. Ученые буквально со смехом рисовали формулу $\Lambda = 0$ на салфетках во время конференций, полностью игнорируя редкие намеки наблюдателей. Открытие темной энергии в конце 1990-х годов доказало, что всё теоретическое сообщество было в корне неправо. Этот опыт, по словам Фриз, научил её сохранять непредвзятость и никогда не отвергать смелые гипотезы, если они могут быть проверены экспериментом.
