В новом интервью на канале Event Horizon ведущий Джон Майкл Годье обсуждает с физиком-теоретиком доктором Ю-Дай Цай возможность существования скрытой пятой силы природы. Исследователи используют данные сверхточного отслеживания околоземных астероидов, чтобы зафиксировать тончайшие аномалии в их движении, способные указать на новую физику за пределами Стандартной модели. Этот революционный подход связывает планетарную безопасность с фундаментальными тайнами Вселенной — от природы тёмной материи до эволюции Солнечной системы.
☄️ Околоземные астероиды как лаборатория фундаментальной физики 0:45
Доктор Ю-Дай Цай, получивший степень PhD в Корнеллском университете и работавший в Фермилаб, представил свою новую научную работу, посвященную поиску пятой силы природы. В исследовании физики сфокусировались на анализе траекторий девяти околоземных астероидов. Главное преимущество этих объектов заключается в том, что они находятся в пределах одной астрономической единицы от Солнца и подходят достаточно близко к Земле для применения методов радиолокации и оптического наблюдения.
Применение эффекта Доплера при радиолокации позволяет измерять расстояние и скорость космических тел с относительной погрешностью порядка $10^{-9}$. По словам учёного, при дистанции до объекта в 5 миллионов километров физики способны определить его положение с феноменальной точностью до 40 метров. В качестве примера Ю-Дай Цай привёл двойной астероид KW 1999. Данный массив данных изначально собирался исследовательской группой из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), чьи результаты авторы работы адаптировали под свои теоретические задачи.
Помимо фундаментальной науки, сверхточный трекинг имеет колоссальное прикладное значение. Астероиды представляют экзистенциальную угрозу для человечества, подобно катаклизму, уничтожившему динозавров. Ю-Дай Цай упомянул доклад исследователя Европейского космического агентства (ESA) доктора Марко Мичелли, который координирует глобальные усилия по мониторингу космических угроз. Тот факт, что траектории астероидов теперь отслеживаются столь скрупулёзно, неожиданно открыл двери для высокоточных проверок физических законов.
📡 Инструменты наблюдения: от Голдстоуна до китайского FAST 3:58
Обсуждая техническую сторону радиолокации астероидов, ведущий Джон Майкл Годье напомнил об утрате знаменитого радиотелескопа Аресибо, который долгое время оставался ключевым инструментом в этой области. Годье поинтересовался, способен ли китайский гигант FAST (крупнейший заполненный радиотелескоп в мире) взять на себя эти функции.
Ю-Дай Цай пояснил текущую ситуацию на рынке астрономических инструментов:
- Обсерватория Голдстоун: в настоящий момент является основным и наиболее активно используемым комплексом для радарной астрономии и сопровождения околоземных объектов.
- Телескоп FAST: обладает колоссальным потенциалом благодаря своим масштабам, однако Ю-Дай Цай признался, что детально не знаком с текущим статусом его радарного оснащения для трекинга астероидов.
Годье добавил, что пристально следит за проектом FAST, особенно в контексте программ по поиску внеземного разума (SETI), поскольку столь масштабный инструмент открывает невероятные возможности для науки.
🌌 Что такое пятая сила и как она связана с тёмной материей 5:24
В современной физике принято выделять четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Гипотетическая пятая сила, по словам Ю-Дай Цай, представляет собой новое фундаментальное поле, которое может обладать как малым, так и огромным радиусом действия. Прогнозы о существовании сверхлёгких частиц, способных переносить такое дальнодействующее взаимодействие, часто встречаются в теории струн, а также в ряде космологических моделей тёмной энергии и тёмной материи.
В частности, подобные гипотетические частицы могут сами выступать в роли так называемой «размытой тёмной материи» (Fuzzy Dark Matter), влияющей на эволюцию крупномасштабной структуры Вселенной. На вопрос ведущего о том, можно ли классифицировать эти частицы как WIMP (слабовизаимодействующие массивные частицы), физик ответил категорическим отказом:
- Классические WIMP — это тяжёлые частицы, плотность которых в ранней Вселенной определялась процессом «термического закаливания» (freeze-out) через слабое взаимодействие.
- Ультралёгкие частицы пятой силы не могут проходить через этот сценарий. Если бы они участвовали в freeze-out, это оставило бы слишком массивный, разрушительный след в космологических измерениях. Данный класс материи строго ограничен существующими наблюдениями и радикально отличается от концепции WIMP.
При этом Ю-Дай Цай подчеркнул, что пятая сила и тёмная энергия теоретически не обязаны быть связаны друг с другом. Тёмная энергия может оказаться лишь свойством кривизны пространства-времени (космологической константой), не требующей новой физики. Однако учёные стремятся искать между ними мосты в надежде обнаружить новые измеримые эффекты.
📐 Великое объединение и загадка прецессии перигелия 10:40
В физическом сообществе, включая Фермилаб, регулярно появляются косвенные указания на новые аномалии, намекающие на существование неизведанных частиц. Годье поднял теоретический вопрос: обязательно ли все силы природы должны сливаться воедино при экстремальных энергиях? Возможна ли ситуация, при которой три силы Стандартной модели объединяются, а гравитация и пятая сила остаются в стороне?
Доктор Цай подтвердил, что подобные сценарии активно изучаются:
- Теории Великого объединения (GUT): элегантно связывают сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, что хорошо согласуется с теорией струн, однако прямых экспериментальных доказательств GUT до сих пор нет.
- Электрослабое объединение: служит успешным примером частичной унификации, где симметрия групп $SU(2) \times U(1)$ нарушается на одном энергетическом масштабе.
- Объединение с гравитацией: по признанию гостя, является настолько сложной задачей, что её обсуждение «превышает его уровень зарплаты». Физика допускает, что некоторые взаимодействия могут никогда не объединиться.
Механизм, с помощью которого группа Ю-Дай Цай ищет пятую силу в Солнечной системе, основан на понятии прецессии перигелия. В астрономии прецессия означает постепенное смещение пространственных параметров орбиты при каждом обороте тела вокруг Солнца. Перигелий — это ближайшая к звезде точка орбиты. Корректное объяснение аномальной прецессии Меркурия в своё время стало триумфом Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна.
Если в космосе действует дальнодействующая пятая сила, она неизбежно вызовет дополнительную, пусть и микроскопическую, прецессию орбит астероидов. Вычленить этот эффект крайне трудно из-за сотен гравитационных возмущений, но его можно жестко ограничить сверху. Для этого авторы исследования сотрудничают со специалистом НАСА доктором Дэвидом Фарноккья, экспертом по орбитальному моделированию. Цель коллаборации — интегрировать математические модели пятой силы напрямую в симуляционные коды, используемые космическим агентством.
🛸 Аномалия облёта против астероидной чистоты 16:43
Годье поинтересовался, нельзя ли использовать для поиска пятой силы так называемую «аномалию облёта» (flyby anomaly) — зафиксированное у нескольких космических аппаратов необъяснимое изменение скорости при гравитационных манёврах у Земли.
Ю-Дай Цай высказал мнение, что природа этой аномалии, скорее всего, прозаична и кроется в геофизике или тепловых эффектах. Использование рукотворных зондов для тонких физических тестов сильно затруднено их конструктивными особенностями:
«Космические аппараты очень малы и подвержены колоссальному количеству внешних возмущений. На их траекторию сильно влияет солнечное тепловое излучение, а также неравномерное переизлучение тепла от бортовых источников питания. Это порождает массу неучтённых ускорений».
Астероиды в этом отношении представляют собой гораздо более «чистые» лаборатории. Их диаметр обычно превышает 1 километр, тепловые эффекты излучения Солнца в масштабах их массы ничтожны, и у них нет внутренних генераторов энергии. По этой причине Цай заявил, что «не поставил бы даже чашку кофе» на то, что аномалия облёта вызвана пятой силой природы.
🖥️ Защита Земли и код MONTY 20:23
Для расчёта всех мыслимых гравитационных пертурбаций со стороны планет от Меркурия до Юпитера, а также тепловых эффектов, Лаборатория реактивного движения НАСА применяет программный комплекс MONTY (Mission Operation Navigation Toolkit Environment). Именно этот инструмент использовала группа из UCLA, вдохновившая авторов работы.
Без столь мощного моделирования невозможно спать спокойно, ведь человечество должно точно знать, не столкнется ли планета с очередным космическим телом. Собеседники вспомнили событие 2013 года, когда неожиданный метеорит взорвался в небе над Челябинском. Ведущий отметил, что из-за колоссальной площади суши Россия исторически часто принимает на себя подобные удары: за последний век там произошли Тунгусская катастрофа, Сихотэ-Алинский железный метеоритный дождь в конце 1940-х годов и Челябинский инцидент. При этом еще более масштабные падения регулярно происходят над мировым океаном.
По словам Ю-Дай Цай, современный уровень международной кооперации и оптического слежения, координируемый Марко Мичелли, исключает внезапное появление объектов челябинского масштаба. Сегодняшние системы способны рассчитать траекторию опасного объекта с точностью до 200 метров, что позволяет оперативно эвакуировать население из зоны гипотетического падения. Интересно, что именно благодаря бдительному поиску околоземных угроз астрономы смогли обнаружить знаменитый межзвездный объект 'Oumuamua.
🔭 Будущее астрономии: обсерватория им. Веры Рубин и аппарат Gaia 25:38
Развитие материальной базы астрономии окажет неоценимую, пусть и косвенную помощь физикам-теоретикам. Новая наземная обсерватория им. Веры Рубин (проект LSST) после ввода в эксплуатацию должна увеличить число регистрируемых астероидов примерно в 5 раз.
Вторым важнейшим компонентом является космический телескоп Gaia. Он создал беспрецедентную по точности карту звездного неба. Используя эту карту в качестве координатной сетки, наземные телескопы могут на порядки точнее определять оптическое положение тусклых астероидов, отражающих лишь слабый солнечный свет. Марко Мичелли называет появление данных Gaia настоящей «сменой правил игры» (game changer) в астрономии.
Ю-Дай Цай отдельно перечислил участников своей международной коллаборации, подчеркнув масштаб проделанной теоретической работы:
- Ю-Цзя Ву (Yu-Jia Wu) — аспирант Мичиганского университета.
- Доктор Санни Ваньоцци (Sunny Vagnozzi) — постдок из Кембриджа.
- Профессор Лука Визинелли (Luca Visinelli) — исследователь из Итальянского института ядерной физики (INFN), который также принял профессуру в Институте Цзундао Ли при Шанхайском университете Цзяотун.
🪐 Особенности «дальнего поиска» и эволюция Солнечной системы 36:57
Учёный поделился парадоксальным математическим выводом своей работы. Если эффекты Общей теории относительности сильнее всего проявляются вблизи гравитирующего центра (поэтому Меркурий идеален для проверки ОТО), то с пятой силой ситуация обратная. При определённых параметрах массы гипотетической частицы, наведенная прецессия становится больше по мере удаления объекта от Солнца.
Из этого следует, что для будущих тестов пятой силы физикам необходимо переключиться с околоземных объектов на тела в глубинах системы:
- Астероиды Главного пояса;
- Троянские астероиды Юпитера (где пятая сила будет проявляться в специфическом взаимодействии с планетой-гигантом);
- Транснептуновые объекты (TNO).
Параллельно для этих целей анализируются макрообъекты: слияния нейтронных звёзд и вспышки сверхновых. Помимо поиска новой физики, изучение малых тел помогает понять эволюцию нашей системы. Согласно ведущей теории, Главный пояс астероидов остался раздробленным из-за формирования Юпитера, чья гравитация остановила рост более крупной планеты на этой орбите.
В финальной части беседы Годье и Цай немного отвлеклись на спекулятивные темы. Ведущий признался, что его пугает концепция метастабильности вакуума («туннелирование Вселенной влево»), которая со скоростью света может мгновенно уничтожить привычную материю. Физик ответил, что не беспокоится об этом, поскольку за 13,8 миллиарда лет существования космоса этого не произошло, а значит, статистически мы в безопасности. Шутя о мотивации своей работы, Цай добавил, что теоретически пятая сила могла бы непредсказуемо изменить орбиту какого-нибудь астероида и направить его на Землю, но этот сценарий также невероятно далёк от реальности.
🚀 Космическая добыча, атомные часы и гравитационные волны 40:57
На вопрос о том, повлияет ли существование пятой силы на будущую индустрию промышленного освоения и майнинга астероидов, Ю-Дай Цай ответил отрицательно. Сам он не причисляет себя к типу «космических завоевателей» вроде Илона Маска, предпочитая понимать космос, а не покорять его. Тем не менее, фундаментальная наука и коммерческий сектор могут извлечь огромную взаимную выгоду.
Физики вынашивают амбициозные технологические планы:
- Проект с профессором Сафроновой (Делавэрский университет): размещение сверхточных атомных часов на поверхности Луны для проверки фундаментальных констант.
- Лазерная дальнометрия: установка на астероиды уголковых отражателей и транспондеров, что качественно улучшит трекинг.
- Детектирование гравитационных волн: группа учёных из Стэнфорда и Университета Джонса Хопкинса (Питер Грэм, Сурджит Раджендран, Майкл Феддерке) предлагает установить сеть атомных часов на астероидах. Этот проект, неофициально называемый «астероидным таймингом» (Asteroid Tracking Array), позволит фиксировать прохождение гравитационных волн по аналогии с пульсарными методиками.
Доктор Цай с воодушевлением отметил, что если промышленники начнут высаживаться на астероиды, ученые с радостью присоединятся, чтобы первыми узнать их точный химический состав и разместить там научные приборы. Сам он без колебаний отправился бы в такую экспедицию, вспомнив космическую программу администрации Барака Обамы, включавшую пилотируемый полет к астероиду.
Завершая встречу, Годье упомянул футуристические концепции перемещения небольших астероидов в точки Лагранжа для изучения или гравитационного маневрирования крупными телами для изменения орбиты планет в будущем. «Главное — не совершить ошибку при расчётах, — иронично подытожил ведущий, — иначе человеческая цивилизация закончится из-за неудачной попытки подвинуть астероид».
