Каким образом крошечные флуктуации ранней Вселенной сформировали наблюдаемый нами космос и почему всего шесть чисел способны описать все его устройство? В рамках Мирового фестиваля науки (World Science Festival) известный физик Брайан Грин побеседовал с профессором Принстонского университета Лайманом Пейджем. Они детально обсудили становление современной космологии, природу темного вещества и новые вызовы, стоящие перед стандартной моделью.
⛵ От морских штормов к вершинам астрофизики: необычный путь Лаймана Пейджа 0:09
Путь Лаймана Пейджа в фундаментальную науку оказался далек от академических шаблонов. Роли родителей — врача и художницы — предопределили его частые переезды в детстве: от Сан-Франциско и Пало-Альто до Нью-Гэмпшира и Мэна. Несмотря на любовь к математике, Пейдж никогда не считал себя в ней «суперзвездой», предпочитая создавать вещи своими руками. Поворотным моментом стало обучение в Боудин-колледже (Bowdoin College), где случайное знакомство в библиотеке с культовым энциклопедическим трудом Мизнера, Торна и Уилера «Гравитация» (Gravitation) навсегда зажгло в нем интерес к физике. Чтобы освоить эту книгу, студенту пришлось самостоятельно пройти курс дифференциальной геометрии.
После выпуска в 1978 году Пейдж принял неожиданное решение отправиться в Антарктиду, где в течение 15 месяцев руководил станцией космических лучей на военно-морской базе Мак-Мердо. Причиной столь радикальной смены обстановки, по признанию самого ученого, стало расставание с девушкой и недовольство собственными баллами за экзамен GRE. В условиях изоляции, общаясь с родителями лишь раз в полтора месяца, он перечитывал «Моби Дика», «Войну и мир» и знаменитые «Фейнмановские лекции по физике», которые полностью перевернули его понимание природы.
Вернувшись в США, Пейдж купил старую деревянную лодку 1930-х годов, полностью восстановил ее вместе с друзьями на верфи в Мэне и отправился под парусом на юг. Он зарабатывал на жизнь покраской днищ кораблей во Флориде, попутно решая по ночам задачи по термодинамике из учебников Земанского и Сирса. Путешествие завершилось во время умеренного шторма в 80 милях к северу от венесуэльско-колумбийской границы, когда у лодки сломался механизм руля, а штормовой ветер разорвал кливер. Именно в ту ночь Лайман осознал, что пришло время возвращаться в аспирантуру. Причалив к Бостону, он буквально с улицы зашел в Массачусетский технологический институт (MIT). Там он встретил Райнера Вайсса (Rai Weiss) — будущего Нобелевского лауреата, который разглядел потенциал в эксцентричном моряке и принял его в свою лабораторию.
🎈 Первые шаги в исследовании реликтового излучения 22:10
В середине 1980-х годов Райнер Вайсс начал активно переключаться на исследования гравитационных волн, и Пейдж стал работать под руководством Стива Мейера над изучением космического микроволнового фона (CMB). В те годы анизотропия реликтового излучения еще не была открыта. Команда Пейджа создала сверхчувствительные детекторы и уникальный криостат на жидком гелии-3 и гелии-4 для запуска на научном аэростате. Запуск производился с базы Форт-Самнер в Нью-Мексико, став первым подобным научным полетом в этой локации.
Судьба диссертационного полета Пейджа оказалась драматичной: всего через 8 минут после старта оболочка баллона лопнула. Инструмент на парашюте рухнул вверх дном на кукурузное поле, и ветер еще долго тащил его по земле. Однако даже за эти 8 минут приборы успели зафиксировать данные, позволившие установить самый чувствительный на тот момент верхний предел анизотропии реликтового излучения.
После восстановления аппарата и полноценного ночного полета в октябре 1989 года ученые обнаружили в данных отчетливый сигнал, природу которого не могли разгадать около двух лет из-за скрытой ошибки в программном обеспечении. Лишь на рубеже 1990–1991 годов, исправив баг, команда осознала, что зафиксировала анизотропию. Вскоре запуск космического аппарата COBE подтвердил их открытие на более тонких угловых масштабах, что Пейдж называет одним из самых захватывающих моментов в своей жизни.
📊 Шесть чисел, описывающих Вселенную 29:45
Современная космологическая концепция опирается на стандартную модель, параметры которой могут взаимозаменяться, но в итоге сводятся к шести фундаментальным числам. Лайман Пейдж детально перечислил эти параметры:
- Плотность барионов — обычного вещества, из которого состоят люди, планеты и звезды, составляющего около 5% Вселенной.
- Плотность холодной темной материи — субстанции, которая не взаимодействует со светом, движется относительно медленно и присутствовала уже через 380 000 лет после Большого взрыва.
- Плотность темной энергии — энергии космического вакуума, составляющей около 70% Вселенной и обуславливающей ее ускоренное расширение.
- Амплитуда первородных квантовых флуктуаций — исходная величина неоднородностей гравитационного поля ранней Вселенной.
- Склон (спектральный индекс) флуктуаций — параметр, описывающий зависимость величины неоднородностей от углового масштаба.
- Параметр реионизации Вселенной — число, характеризующее сложную эпоху, когда первые зажгшиеся звезды и структуры вновь ионизировали космический газ.
По мнению Пейджа, способность столь малого количества входных данных исчерпывающе описывать макроструктуру Вселенной — от первичного нуклеосинтеза до распределения галактик — является абсолютно феноменальным триумфом науки. При заложении этих шести чисел в компьютерные симуляции ученые получают космос, который выглядит в точности как наш. Пейдж подчеркивает, что эта модель успешно выдерживает проверку временем с начала 2000-х годов.
📡 Одиссея WMAP: от «пирога в небе» до фундаментального открытия 44:49
Решающий вклад в уточнение шести космологических параметров внес космический аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Проект зародился в 1991 году, когда выдающийся физик Дэвид Уилкинсон заглянул в кабинет к Пейджу и предложил поучаствовать в разработке спутника. Изначально проект создавался силами небольшой группы ученых Принстона, включая Норма Яросика и Эда Воллака, и иронично назывался PIE (Princeton Isotropy Experiment), созвучно с идиомой «пирог в небе» (pie in the sky). Впоследствии принстонская группа объединила усилия с командой Центра космических полетов Годдарда под руководством Джона Мазера и Чака Беннетта. Полноценная заявка была подана в 1995 году, а долгожданный запуск состоялся в июне 2001 года.
Данные, поступавшие из точки Лагранжа L2, оказались беспрецедентно чистыми: около 97% сырых измерений ложились напрямую в итоговые карты. По словам Пейджа, анализ подтвердил, что микроволновое излучение представляет собой гауссово случайное поле. Это фундаментальное открытие доказывает, что в макроструктуре Вселенной нет скрытых геометрических заговоров или аномальных подструктур, а первичные флуктуации родились в результате истинно случайного процесса в условиях термодинамического равновесия ранней Вселенной.
🌌 Тайны темного сектора и гравитационное линзирование 1:01:47
Реликтовые фотоны, путешествующие к Земле 13,8 миллиарда лет, испытывают тонкое влияние гравитации всех встречных галактик и скоплений, которые выступают в роли слабых гравитационных линз. Подобный эффект можно сравнить с разглядыванием объекта через душевое стекло. Современная точность карт реликтового фона позволяет измерить это искажение с погрешностью всего в 2%. Это измерение блестяще подтверждает, что невидимая темная материя равномерно распределена внутри объема Вселенной, полностью соответствуя теоретическим предсказаниям.
Что касается природы темного сектора, Пейдж сохраняет исследовательский оптимизм. В настоящее время совместно с коллегой Саптарши Чоудхури он строит наземный детектор для поиска аксионов — гипотетических частиц, претендующих на роль темной материи. Ученые уже заказали специальный рефрижератор растворения для охлаждения установки. Комментируя недавние данные проекта DESI, указывающие на возможную динамическую эволюцию (распад) темной энергии, Пейдж призывает к осторожности и предлагает дождаться независимых перепроверок, хотя признает, что обнаружение отклонений от классической космологической константы Эйнштейна стало бы величайшим прорывом в фундаментальной физике.
⚡ Хаббловское напряжение и новые космологические горизонты 1:16:03
Одним из главных современных вызовов для космологов остается так называемое хаббловское напряжение — расхождение в оценках скорости расширения Вселенной. При локальных измерениях по сверхновым звездам группа Адама Рисса получает значение постоянной Хаббла около 73–74 км/с/Мпк. В то же время космологический метод, опирающийся на реликтовый фон и крупномасштабную структуру галактик, стабильно выдает значения в районе 67–68 км/с/Мпк.
Пейдж признается, что из-за своего экспериментального бэкграунда относится к погрешностям метода сверхновых с некоторой долей скепсиса, однако считает этот конфликт данных однозначно серьезным. В качестве независимого арбитра выступает методика Венди Фридман, основанная на изучении вершин ветви красных гигантов (TRGB). Последние данные Фридман пока имеют широкие интервалы ошибок и фактически балансируют между двумя лагерями, но Пейдж ожидает снижения их погрешности вдвое в ближайшие годы. Своим самым любимым и чистым методом будущего ученый считает фиксацию слияний нейтронных звезд и черных дыр (гравитационных сирен) с помощью детекторов LIGO, поскольку этот способ опирается исключительно на чистую геометрию и общую теорию относительности, исключая сложные астрофизические допущения о природе звезд.
🛸 Противостояние теорий: инфляция против циклической модели 1:29:24
Космологическое сообщество вовлечено в концептуальный спор между классической теорией космической инфляции Алана Гута и циклической (экпиротической) моделью Вселенной, активным сторонником которой является коллега Пейджа по Принстону Пол Стейнхардт. Главным водоразделом между этими подходами выступают реликтовые гравитационные волны. Простые инфляционные модели предсказывают существование мощных первичных тензорных флуктуаций, которые должны оставлять след в виде B-мод поляризации реликтового излучения. Циклическая же модель утверждает, что первородные гравитационные волны не должны присутствовать на сколько-нибудь измеримом уровне.
Поскольку инфляция со временем превратилась в чрезвычайно гибкую теорию, способную подстроиться под любое падение амплитуды волн (что вызывает острую критику со стороны Стейнхардта), Пейдж считает экспериментальный поиск B-мод критически важным. Его команда сейчас разрабатывает новый проект, финансируемый Фондом Саймонса (Simons Observatory в Чили), призванный составить независимую конкуренцию экспериментам BICEP.
Отвечая на спекуляции о том, что новейшие данные космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) якобы опровергают Большой взрыв, Пейдж заявляет, что телескоп является величайшим технологическим триумфом человечества, но зафиксированные им массивные ранние галактики свидетельствуют лишь о сложности процессов их формирования, а не о крахе стандартной космологической модели. Пейдж резюмирует, что космология еще далека от завершения: впереди ученых ждет раскрытие массы нейтрино, поиск скрытой нелинейности (негауссовости) ранней Вселенной и обнаружение природы загадочных аксионов.
