Про гравітаційні хвилі, темну матерію, бозони Гіґґса і не тільки...

У березні цього року команда астрофізиків, які працюють у обсерваторії BICEP 2, розташованій неподалік Південного полюсу, оголосила про відкриття гравітаційних хвиль. Значимість цього відкриття є епохальною, адже йдеться не лише про підтвердження існування феномену, який передбачив Альберт Ейнштейн ще у далекому 1916 році, але й цілу низку додаткових відкриттів, кожне з яких достойне Нобелівської премії з фізики. Це, зокрема, підтвердження так званої космологічної інфляції - надзвичайно стрімкого розширення Всесвіту у першу мить після Великого вибуху, - а також доказ квантової природи гравітації. Прокоментувати це відкриття ми попросили доктора фізико-математичних наук, директора астрономічної обсераторії ЛНУ ім. Івана Франка Богдана Новосядлого. Під час пізнавальної розмови, яка фактично переросла у невелику лекцію, пан Богдан розкрив і інші актуальні проблеми сучасної космології, астрофізики та фізики елементарних частинок. Наскільки глибокими є знання науковців про світ? Хоча ми й знаємо про його будову, вочевидь, більше, ніж усі попередні покоління людства, до повністю вичерпних наукових теорій люди, схоже, йтимуть стільки, скільки їм відведено для життя у цьому Всесвіті, - вважає пан Богдан.

 

 

 - 17 березня команда науковців з обсерваторії BICEP 2 оголосила про реєстрацію реліктових гравітаційних хвиль, що водночас є підтвердженням інфляційної теорії Всесвіту. В чому значимість цього відкриття і як воно розширює наші знання про Всесвіт?

 

Насамперед слід зазначити, що такого повідомлення вчені очікували вже дуже давно. Щоправда, найбільші шанси на це відкриття були у іншої обсерваторії – космічного телескопу «Планк». Проте BICEP 2 (англ. Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization – «Фонове зображення космічної позагалактичної поляризації») – наземна обсерваторія, розташована на Південному полюсі, –  якось непомітно його випередила.

 

Про значимість цього відкриття свідчить хоча б вартість і складність проекту «Планк». «Планк» - це космічний телескоп, який знаходиться у точці Лагранжа L2 по інший бік від Сонця на відстані півтора мільйона кілометрів від Землі. Щоб його апаратура знаходилася у робочому стані, її слід постійно було підтримувати при температурі, близькій до абсолютного нуля. Виявлення гравітаційних хвиль було основних завданням цього дорогого телескопа (~700 млн. євро), і заради цієї мети він цілий рік сканував небо.

 

Таким чином, відкриття гравітаційних хвиль стало очікуваним і несподіваним водночас. Адже вчені не сподівалися, що воно буде зроблене так швидко і з таким високим рівнем достовірності, як про це оголосила команда BICEP 2. Достовірність відкриття склала понад 5 сіґма, або 99,9999%, тобто вона є такою, що за неї вже є підстави присуджувати Нобелівську премію.

 

Говорячи про гравітаційні хвилі, слід зазначити, що їх передбачив Альберт Айнштайн ще у 1916 році. Відтоді прямої реєстрації їх не було, адже не вистачає чутливості приладів – точніше довжини плеча інтерфореметра.  Щоб реєструвати гравітаційні хвилі від злиття пульсарів в нашій Галактиці, необхідні лазерні інтерферометри з довжиною плеча  порядка мільйона кілометрів. Сьогодні тривають роботи по створенню таких інтерферометрів в космосі.

 

На відміну від прямих, непрямі підтвердження існування гравітаційних хвиль вже були. Зокрема, у 1993 році Рассел Халс і Джозеф Тейлор отримали Нобелівську премію з фізики за пояснення зміни періоду подвійного пульсара, яка ґрунтувалася на випромінюванні ним гравітаційних хвиль.

 

І ось друге підтвердження – на цей раз реліктові гравітаційні хвилі. Це ще одне непряме, але дуже надійне підтвердження їхнього існування.

 

Реліктовими ці хвилі називають тому, що вони народилися в ранню епоху існування Всесвіту в результаті квантових флуктуацій. Їх поява співпала з флуктуаціями густини у перші миті після Великого вибуху, внаслідок яких утворилися галактики, скупчення галактик, зорі і, загалом, вся космічна структура.

 

Одним з найважливіших аспектів у відкритті цих хвиль є їх квантова природа, тобто йдеться про непряме підтвердження теорії квантової гравітації. Зокрема, відомо, що з квантовою фізикою проблем немає: квантова електродинаміка – це один з найточніших розділів природознавства. Однак досі не було жодних експериментальних підтверджень того, що і гравітація також має квантову природу. Відкриття цих хвиль є поки єдиним експериментом, який недвозначно вказує на те, що гравітаційні процеси в ранньому Всесвіті мали квантову природу. Саме тому це відкриття спричинило такий значний резонанс.

 

 - Попри успіх з відкриттям гравітаційних хвиль, інший експеримент, який також претендував на фундаментальне відкриття, показав негативний результат: минулого року науковці, які проводили екперимент LUX (Large Underground Xenon), мета якого полягала у виявленні гіпотетичних часток темної матерії – «вімпів», - оголосили, що нічого їм знайти не вдалося. Чи означає це те, що наші знання про світобудову ще глибоко неповні? Зокрема, з огляду на те, що про природу темної матерії ми фактично нічого не знаємо.

 

Темна матерія становить  близько 25% густини матерії у Всесвіті. Разом з темною енергією ці загадкові субстанції складають 96% усього, що наповнює Всесвіт. Що темна матерія, шо темна енергія є однією з найбільших загадок природознавства кінця ХХ – ХХІ ст., і невідомо, як довго ще їхня природа залишатиметься нез’ясованою. Але є надія, що з часом у їх вивченні відбудеться прорив.

 

Сьогодні на реєстрацію частинок темної матерії – так званих вімпів (англ. Weakly Interacting Massive Particle – «слабко взаємодіюча масивна частинка) – зорієнтовано понад два десятки дуже чутливих експериментів. За результатами деяких з цих експериментів, зокрема DAMA, CoGeNT та інших, з’явились повідомлення, що начебто вдалося виявити сигнали цих частинок. Однак найчутливіший експеримент – LUX, – який полягав у виявленні світлових імпульсів від взаємодії вімпів з атомами рідкого ксенону – встановити хоча б натяки на існування цих частинок не спромігся. 

 

Але чи означає це закриття частинок темної матерії? Ні, в жодному разі. По-перше, вімпи можуть брати участь тільки в слабкій і гравітаційній взаємодіях. Ефективний переріз слабкої взаємодії цих частинок може бути ще меншим, ніж у нейтрино. Тобто вони можуть менш ефективно проявляти себе у взаємодії з іншими частинками. Можливо, ці частинки взаємодіють взагалі лише гравітаційно. У такому разі ми взагалі не маємо шансів підтвердити їх існування в лабораторії і можемо досліджувати їх тільки за астрофізичними проявами на дуже великих масштабах. Наявна на сьогодні апаратура –експерименти типу LUX, так і телескопи у рентгенівському і гамма-спектрах – можуть реєструвати ці частинки лише в тому випадку, коли значення їх маси та ефективний переріз взаємодії є в певній області. Проте якщо ці параметри виходять за межі даної області, реєструвати їх поки немає змоги. Однак це означає тільки те, що експерименти продовжуватимуться і уточнюватимуться.

 

Звичайно, необхідні цілком нові ідеї експериментального плану: як реєструвати частинки з меншими масами і з меншим ефективним січенням взаємодії. Адже що менші ці величини, тим їх складніше реєструвати.

 

Тому я вважаю, що результат LUX не закриває ані ідеї вімпів, ані тим більше ідеї, що темна матерія існує у вигляді частинок. Сьогодні ми знаходимось тільки на початку шляху встановлення природи темної матерії, і цей шлях, виявляється, буде довший, ніж нам би хотілося.

 

 - Із мегарівня перейдімо на мікрорівень. Мабуть, чи не найзначущішою науковою подією 2013 р. стало відкриття бозонів Гіґґса. Бозон Гіґґса був останнім елементом, якого не вистачало для створення Стандартної моделі елементарних частинок. У чому значимість цього відкриття?

 

Від гіпотези про існування бозонів Гіґґса до їх підтвердження пройшло аж 50 років. Увесь цей час фізики вірили, шо механізм Гіґґса працює й намагалися виявити ці частинки. Суть механізму Гіґґса полягає у тому, що він дозволяє пояснити, що таке маса. Для цієї мети був збудований найдорожчий в історії фізичний прилад – Великий адронний колайдер. Встановлення (або спростування) існування бозонів Гіґґса було його основним призначенням.

 

Стівен  Гокінг якось сказав, що найбільшим відкриттям ВАК було б, якби він довів, що бозонів Гіґґса немає. Це означало б, що Стандартна модель фізики елементарних частинок неправильна, і потрібно будувати нову. Для фізиків тоді б наступила «золота пора», коли потрібно будувати нові теорії.

 

Проте сталося так, як і очікували: бозон Гіґґса з дуже великою ймовірністю існує. Під час експерименту на Великому адронному колайдері виявили частинку, яка за низкою характеристик дуже близька до бозону Гіґґса. Проте однозначно стверджувати, що вона ним таки є, поки не можна. Є ще певні сумніви в тому, що ця частинка має саме такий такий спін (квантовий момент руху), що й бозон Гіґґса. Тому фізики ще досі уточнюють ці дані на максимальних потужностях.

 

Тим не менше, я вважаю, що Нобелівську премію Пітеру Гіґґсу у 2013 році присудили цілком справедливо. Хоча б з огляду на той факт, що ця гіпотеза вже стільки років не дає спокою, мабуть, найрозумнішим людям на Землі, які, аби її перевірити, збудували найскладніший і найдорожчий в історії фізичний прилад, зробивши на цьому шляху ще дуже багато відкриттів.

 

Бозон Гіґґса – це дійсно остання частинка, якої бракувало для завершення фізичної теорії під назвою «Стандартна модель фізики елементарних частинок». Усі інші частинки, які лежать в основі цієї моделі,зокрема кварки та лептони, сьогодні вже відкриті. Залишався тільки бозон Гіґґса. Його відкриття підтверджує правильність Стандартної моделі фізики елементарних частинок. З іншої сторони, очевидною є її неповнота. Адже у 1998 р. виявили явище осциляції нейтрино, яке не вписується у Стандартну модель. Крім того, у неї не вкладається і темна матерія та темна енергія. Так що сподівання на подальші експерименти і відкриття в цій галузі залишаються досить великі.

 

 - Чи вірите Ви, що вже в осяжному майбутньому буде створена так звана «теорія всього», яка пояснить усі види взаємодій у Всесвіті і ознаменує своєрідний кінець природничих наук?

 

Подібна теорія – це мрія фізиків. Як правило, якщо такі мрії й збуваються, то на дуже тривалому відрізку часу. Адже фізика – це експериментальна наука. Ми можемо побудувати «теорію всього», але до того часу, поки усі її елементи не будуть підтверджені експериментально, вона буде не більше, ніж гіпотезою.

 

Які можливості створення такої теорії у науки сьогодні? Технологічні можливості людства нині є такими, що ми можено експериментально перевірити об’єднання лише електромагнітної і слабкої взаємодій. Для досліджень вже на рівні об’єднання трьох взаємодій – електромагнітної, слабкої і сильної (це так звана теорія «великого об’єднання») – потрібні енергії, які на три порядки більші, ніж ті, які ми маємо сьогодні. На прискорювачах частинок сьогодні можна досягнути енергії порядку 1013  еВ, а для підтвердження теорії «великого об’єднання» потрібна енергія близько 1013 ҐеВ (у мільярд разів більша!). Чи вдасться в близькому майбутньому досягнути такої енергії і експериментальнно перевірити цю теорію – прогнозувати важко.

 

Можливо, є більше шансів, що ці теорії вдасться перевірити непрямо. Скажімо, спостерігаючи за найенергетичнішими процесами, що відбуваються у Всесвіті, наприклад, такими, як злиття нейтронних зір чи падіння речовини у надмасивну чорну діру. Можливо, вивчаючи такі процеси, вдасться перевірити «теорію всього» на рівні об’єднання трьох і, гіпотетично, навіть чотирьох фундаментальних взаємодій – електромагнітної, слабкої, сильної та гравітаційної.

 

Тобто теорія всього – це гарна мрія, до якої людство може йти все життя. І чи ми дійдемо до розуміння усіх загадок природи за час, відведений нам у Всесвіті (зокрема, поки у ньому існують комфортні умови для існування життя та людської цивілізації), – це цікаве питання.

 

 - Назвіть, будь ласка, ключові проблеми сучасної астрофізики і сфери дослідження, в яких можна чекати нових відкриттів?

 

Якщо вже йти від тематики, яку ми почали розглядати, то це насамперед дослідження реліктових гравітаційних хвиль, інфляції і квантової гравітації. На нього зорієнтовані вже кільканадцять проектів. Крім того, це виявлення частинок темної матерії. Тут вчені також здійснюють багато експериментів, від яких очікують результатів. Наступним кроком може стати встановлення природи темної енергії. На сьогодні вже є результати дослідження космічною обсерваторією «Планк» наднових типу Іа та просторового розподілу галактик, які дають змогу суттєво звузити область значень параметрів темної енергії. Крім того, є вказівки на те, що темна енергія може існувати у фантомному стані. Це – дуже екзотичний тип темної енергії. Проте надійність цих даних поки не перевищує 2 сіґма (95% ймовірності), що у сучасній науці не дає змоги говорити  про достовірне відкриття.

 

Важливі відкриття очікуються в пошуку планет і позаземного життя. Це, зокрема, відкриття позаземних форм життя в Сонячній системі. Можливо, в найближчі роки ми будемо мати якісь підтвердження існування життя на Марсі (можливо, в минулому). Кандидатами, де з найбільшою вірогідністю може чи могло існувати позаземне життя, сьогодні є Марс та супутники Юпітера і Сатурна. У надрах цих супутників є рідка вода, і, можливо, там може бути життя. На Марсі життя могло існувати і на поверхні. Колись там текла рідка вода, а атмосфера мала зовсім інший склад.

 

Важливо те, що ці форми життя можуть бути абсолютно відмінними від тих, які існують на Землі. Відкриття позаземного життя стане справді фундаментальним для людства.

 

Перспективною сферою досліджень є відкриття планет, подібних на Землю, які обертаються довкола інших зір. На сьогодні вже відомо понад 3000 планет за межами Сонячної системи. Серед них є й такі, які обертаються довкола своїх зір “в зоні життя”, в межах якої на їх поверхні може існувати рідка вода.

 

Пошуки ведуться і щодо виявлення послання від інших розумних цивілізацій. Цікаво, що вони нам скажуть?

 

 - Окресліть, будь ласка, стан астрофізики в Україні і ключові напрямки досліджень вітчизняної астрофізичної науки.

 

Почну з того, що зараз Комітет з Державних премій в галузі науки і техніки розглядає цикл робіт авторів зі Львова, Києва, Харкова і Одеси, які працюють з даними Великого адронного колайдера та обсерваторій BICEP 2, «Планк», WMAP, а також іншими телескопами наземного і космічного базування. Цей цикл робіт присвячений вивченню будови і еволюції Всесвіту. Приблизно такою є і його назва. За результатами попереднього голосування він має вагомі шанси здобути  цю премію.

 

Тобто українські вчені подібними питаннями займаються, хоча в основному в теоретичному плані, адже ставити дорогі експерименти у вітчизняної науки не має змоги. Тим не менше, наших вчених запрошують бути учасниками подібних експериментів за кордоном.

 

Чим займаються астрофізики в Україні? Практично, всім, чим займаються астрофізики у світі. Я не знаю такої галузі, якої б не було в Україні. Сьогодні такими галузями, як космологія, фізика високих енергій чи космічні промені нескладно займатися, адже дані експериментів, як правило, загальнодоступні. Результати експериментів публікуються в Інтернеті, і кожен дослідник має змогу з ними працювати. Це, звичайно, не стосується останніх даних, які належать тільки авторам, проте завжди є нерозв’язані задачі, які потребують роботи з даними дво- чи п’ятирічної давності.

 

Сьогодні в Україні чи не найбільше займаються фізикою ближнього космосу. Зокрема, це фізика Сонця, яка потребує постійних спостережень, адже пов’язана з практичними потребами людства. Колись у СРСР існувала служба Сонця. Зараз створюється аналогічна служба України. У її роботі, зокрема, активну участь братиме Львівська обсерваторія. Найактивніше фізикою Сонця займаються в Головній астрономічній обсерваторії НАН України та Кримській астрофізичній обсерваторії, яка сьогодні перебуває на тимчасово окупованій території.

 

Якщо говорити про фізику планет, то передові дослідження у цій галузі проводяться в Харківській обсерваторії, а також в Головній астрономічній обсерваторії НАН України.

 

Фізика зір активно розвивається практично у всіх астрономічних обсерваторіях України. Тут, однак, я хотів би виділити Головну астрономічну обсерваторію НАН України, де досліджують особливий тип зір, названих коричневими карликами. Це зорі дуже малих мас, в яких термоядерні реакції практично не відбуваються. Таких зір у нашій Галактиці є дуже багато, і вони можуть відігравати велику роль в еволюції Всесвіту.

 

Фізика галактик – це також тематика практично усіх вітчизняних обсерваторій, в тому числі і Львівської. Також практично у всіх українських обсерваторіях, університетських кафедрах теоретичної фізики та інститутах прикладних проблем механіки і математики займаються питаннями космології. В цьому контексті надзвичайно актуальною є тематика, пов’язана як з суто теоретичними спостереженнями, так і з обробкою спостережуваних даних.

 

 - Які напрямки астрофізичних досліджень розвиваються у Львові?

 

Це, зокрема, вже згадувана фізика Сонця, а також оптичні спостереження за штучними супутниками Землі. Вони включають позиційні спостереження та отримання фотометричної і лазерно-віддалемірної інформації. Практично вся ця інформація пов’язана з практичними потребами.

 

Крім того, одним з напрямків наших досліджень є спостереження за зміною блиску зір певного типу (зокрема, тісних подвійних зоряних систем та пульсуючих зір) і створення їх моделей на основі отриманих даних. Наступна тематика, яка в нас активно розвивається, – це релятивістська астрофізика та космологія встановлення природи прихованих компонент Всесвіту – темної матерії і темної енергії, – а також визначення космологічних параметрів та вивчення різних аспектів формування галактик і великомасштабної структури Всесвіту.

 

На кафедрі астрофізики також розвиваються цікаві напрямки. Один із них пов’язаний з газовими туманностями. Такі туманності формуються на різних етапах еволюції галактик і формування зір. Зокрема, є газові туманності, в яких відбувається формування зір, а є туманності, які є наслідком кінцевого етапу еволюції зір. Усі ці види туманностей активно досліджуються в нас у Львові.

 

Інший тип досліджень львівської астрофізики – це природа білих карликів. Ця тематика традиційна для нашої обсерваторії ще з післявоєнних часів, коли сюди з Ленінградського університету приїхав Самуїл Каплан, який захистив там фундаментальну дисертацію по фізичній природі білих карликів і, приїхавши до Львова, зробив ще низку відкриттів у цій галузі. Зараз цей напрям продовжує розвиватися у нас на кафедрі.

 

 Ще один напрямок астрофізичних досліджень у Львові, зокрема в Інституті прикладних проблем механіки і математики НАН України, – це астрофізика космічних променів, яку ще називають неприскорювальною фізикою елементарних частинок. Це – дослідження, які вивчають процеси на рівні елементарних частинок, спостерігаючи за космічними процесами у гамма- і рентгенівському діапазонах. Львівські науковці сьогодні беруть у таких дослідженнях активну участь, співпрацючи з вченими з-за кордону.

 

 

Розмовляв Євген ЛАНЮК.

 

 

20.06.2014