Проспорил бутылку вина за темную материю

«Проспорил бутылку вина за темную материю»

Tomson Reuters представляет топ-10 тем в астрофизике и астрономии

European Extremely Large Telescope (E-ELT) станет самым крупным в мире телескопом

Фотография: eso.org

Павел Котляр

Рассказ о ключевых прорывных направлениях в науке, представленных медиакорпорацией Tomson Reuters в отчете top 100 Research Fronts, «Газета.Ru» при участии экспертов в соответствующих областях начинает c астрономии и астрофизики.

«Я выступал как-то с популярной лекцией, в которой рассказал о десятке наиболее цитируемых статей в астрофизике. Очень показательно, что в этой десятке фактически не было открытий. Бурно развивающиеся области – это те области, где сейчас можно что-то делать. Примером могут быть новые направления в космологии. Второй вариант – начало работы нового аппарата, на котором просто работают много наблюдателей. Примером может служить телескоп Herschel — это самый новый астрофизический инструмент, для работы на котором астрономы могут подавать заявки», – считает известный российский учёный-астрофизик и популяризатор науки, доктор физико-математических наук Сергей Попов.

Стоит отметить, что разбиение отдельных направлений, представленных в отчете, на подрубрики, является вполне условным. Так, направление

Dark matter direct detection experiments — прямые эксперименты по обнаружению темной материи — отнесены к разделу «физика», хотя, безусловно, в полной мере могут относиться к астрофизике.

Каждый год наблюдатели получают все новые данные о существовании темной материи. По словам Попова, окончательным подтверждением ее существования будет регистрация ее частиц или их взаимодействия с детектором в лаборатории, либо достоверная регистрация актов аннигиляции частиц темной материи. В последние годы участники сразу нескольких экспериментов говорят, что видят некий сигнал, однако эти данные противоречат друг другу. «Все ждут, когда эта тема выскочит: тема очень горячая, плюс добавились данные с эксперимента PAMELA и с прибора AMS. Однако это не похоже на ситуацию с бозоном Хиггса: может оказаться, что эти частицы не найдут и все аргументы в пользу их существования останутся чисто астрофизическими, – считает Попов. — Если раньше я считал, что ее вот-вот найдут в лаборатории, и даже проспорил бутылку вина, то сейчас модели, предсказывающие, что не удастся в лаборатории это увидеть, мне начинают казаться более чем достойными внимания. Буквально недавно люди впервые обнаружили волокно темного вещества, такие аргументы накапливаются, и это очень красивый результат»,— говорит он.

На первом месте в списке передовых астрономических направлений стоит странное словосочетание

Galileon cosmology – галилеонова космология

По количеству публикаций это направление признано самым перспективным.

«Под галилеоновой космологией имеется в виду изучение класса космологических моделей, использующих скалярные поля специального вида — галилеоны. Они характеризуются некоторой специальной симметрией, похожей на симметрию нерелятивистской галилеевой механики, отсюда и название. Изначально эти модели появились в работе Раттацци, Николиса и Тринкерини (Phys.Rev. D79 (2009) 064036)  как обобщение многомерной модели Двали—Габададзе--Поррати.  Последняя, в свою очередь, была придумана как вариант теории, в которой законы гравитации могут  отличаться от стандартных на больших расстояниях. Была надежда объяснить таким образом  ускоренное расширение Вселенной (решить проблему темной энергии). Наверное, существует такая надежда и в связи с галилеонами. Ценность этих моделей пока что  чисто теоретическая: они расширяют наши знания о теории поля», – рассказал «Газете.Ru» Сергей Сибиряков, специалист по космологии, сотрудник кафедры физики частиц физического факультета МГУ.

«Честно говоря, я несколько изумлен и порадован,  что Galileon Cosmology заняла столь почетное место. Я бы перевел это название как «космология Галилеева поля», – говорит  физик Александр Викман из Университета Нью-Йорка, внесший немалый вклад в развитие этой области космологии.
«Это действительно довольно популярное направление в современной теоретической космологии.  Название взялось из того, что в данной науке помимо стандартной эйнштейновской гравитации изначально должно было  присутствовать новое скалярное поле с необычной Галилеевой симметрией.  A именно, а) система должна быть симметрична по отношению к  сдвигам этого поля и б) сдвигам  производных этого поля на постоянный вектор», – пояснил он.

Probing extreme redshift galaxies in the hubble Ultra Deep field — исследование галактик на чрезвычайно больших красных смещениях в хаббловском обзоре Deep field

Глубокие обзоры – это снимки очень малых участков неба с очень большой выдержкой. На них ученые смогли увидеть настолько слабые объекты, что ранее они не были доступны земной астрономии. Глубокие обзоры «Хаббла» — это данные о тысячах галактик разного типа, размеров, светимостей и возрастов. «Видно, самые удаленные галактики по морфологии отличаются от того, что мы видим вокруг, и сейчас это самые лучшие результаты, которые прямо показывают нам историю Вселенной. Это своего рода раскопки. И конечно, все ждут запуска еще более мощного телескопа James Webb, который пойдет еще дальше».

Sterile neutrinos at the ev scale – стерильные нейтрино на шкалах в несколько электронвольт

Помимо электронного, мюонного и тау-нейтрино ученые подозревают существование четвертого, «стерильного» аромата нейтрино. Этих частиц нет в Стандартной модели, и они не участвуют в слабых взаимодействиях. По мнению ученых, стерильные нейтрино могут отвечать за часть или за всю темную материю, а также служить объяснением количественного превосходства материи над антиматерией.

Herschel space observatory and initial performance – Первые результаты наблюдений обсерватории Herschel

Орбитальный телескоп – последний по времени запуска крупный инструмент, работающий в режиме обсерватории, — на наблюдения на нем можно подавать заявки. Обсерватория пользуется большим научным спросом. За время службы она активно наблюдала разные типы объектов – от галактик до объектов Солнечной системыи областей звездообразования. Несмотря на то что результатов от этой обсерватории получено много, сказать, что она стала знаменита какими-то «выстрелившими» открытиями, сложно.

Kepler mission and the search for extra-solar planets – Миссия Kepler и поиск внесолнечных планет

– область исследований, выделенная отдельной строкой в списке.

Kepler стал первым специализированным космическим прибором, в задачи которого входило тысячами и десятками тысяч обнаруживать экзопланеты путем фиксации мельчайших потускнений их звезд. «Кеплер – это своеобразная машина для открытия кандидатов в экзопланеты. В последнем каталоге их порядка 20 тысяч. Среди них есть совершенно потрясающие экземпляры, и действительно первые землеподобные планеты в зоне обитаемости — это кеплеровские результаты», – считает Попов. Кроме того, работая в режиме поиска кандидатов, инструмент дает огромное поле работы наблюдателям на Земле, которые подтверждают его открытия.

Neutron star observations and nuclear symmetry energy – Наблюдения нейтронных звезд

В недрах нейтронных звезд вещество находится при колоссальных плотностях, недостижимых в лабораториях (в десять раз больше плотности ядра). В нейтронных звездах нейтронов раз в десять больше, чем протонов. Поэтому для ядерной физики эти объекты представляют огромный интерес. Наблюдения за ними активно ведутся — буквально недавно вышла статья про пульсар (нейтронная звезда с характерным магнитным полем), в окрестностях которого была проверена применимость Общей теории относительности. «Рекорд массы нейтронной звезды в 2,18 масс Солнца говорит ядерным физикам о том, какие модели хороши, а какие плохи. На МКС планируется поставить новый астрофизический прибор Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), он призван изучать нейтронные звезды с точки зрения уравнения состояния вещества в их недрах», – говорит Попов.

Evolution of massive early-type galaxies – Эволюция массивных галактик ранних типов.

Современные наземные и космические инструменты позволяют детально изучать подобные галактики, а теоретики разрабатывают соответствующие модели — данных появляется все больше. Огромную роль в наблюдениях этих эллиптических галактик раннего типа играют все те же наблюдения космического телескопа Hubble, сделанные в ходе глубокого обзора полей. «Массивные эллиптические галактики – важная составляющая астрофизики. Мы вообще мало понимаем, как формировались галактики, поэтому любые продвижения в этой области всегда очень интересны», – говорит Попов.

Gamma-ray sources detected by the fermi large Area telescope – Источники гамма-лучей, обнаруженные телескопом Fermi.

Fermi – превосходно работающая космическая обсерватория, в которой реализована доступность данных для астрономов. «Это прибор, созданный по правилу, что каждый телескоп должен в 10 раз превосходить предыдущий. К нему бросились люди, работающие в совершенно разных областях», – говорит Попов. Телескоп предоставил интересные данные по радиопульсарам, благодаря которым ученые стали лучше понимать их природу, получил замечательные данные по гамма-всплескам, которые видны в очень жестком диапазоне, огромный материал по активным ядрам галактик. «Кроме того, Fermi дал данные по космическим лучам, по содержанию в них электронов и позитронов, а это связано с поиском темного вещества, и такие работы очень цитируемы», – пояснил астрофизик.

Data from Hinode solar optical telescope and Solar Dynamics observatory – данные с солнечных обсерваторий Hinode и SDO

Японский космический аппарат Hinode – самая современная и высокотехнологичная из солнечных обсерваторий. Он способен получать изображения поверхности Солнца с разрешением около 0,2 угловых секунд (около 150 км). «Современные спутники постоянно снимают Солнце, видят стереоизображение, снимают динамику процессов, это существенно новый технологический шаг. Сейчас все любят обсуждать космические угрозы, как сбивать астероиды... А самая реалистичная угроза, которая не уничтожит человечество, заключается в том, что на звездах типа Солнца раз примерно в тысячу лет могут происходить достаточно мощные вспышки. Глазом их не видно, звери не дохнут, но для нашей электроники это может оказаться катастрофой. Недавно ученые исследовали данные по помехам в американских системах электросетей, и оказалось, что 4% связаны с солнечной активностью. Научиться предсказывать это хотя бы за месяц крайне важно», – уверен Попов. По его словам, угроза падения метеорита не станет в ближайшее время доминировать в темах научных публикаций: в архиве электронных препринтов по теме чебаркульского метеорита с февраля появились лишь три публикации. «На фоне большой науки это мелкая рябь», – считает он.

Supernova type 1-a light curves and dark energy – Кривые блеска сверхновых типа I-a и темная энергия.

Темная энергия – одна из самых горячих тем в астрофизике, при этом сверхновые не являются основным поставщиком данных по этой теме. Кроме того, ученые гадают, почему данные телескопа Planck слегка расходятся с данными по сверхновым. «Когда полетит «Спектр-рентген-гамма», он даст кучу данных по скоплениям галактик, а это очень важно — в первую очередь для определения доли этой самой темной энергии. Эта строчка в том или другом виде долго будет присутствовать в этом списке», – считает астрофизик.

По его словам, в список «выстреливающих» направлений в астрофизике могут попасть данные с аппарата «Спектр-РГ», запуск которого уже несколько лет откладывается НПО имени Лавочкина. «Важно, чтобы он долго не откладывался, так как все эти результаты можно получить другими способами. Сейчас, когда все затянулось, наземные телескопы, South Pole telescope и другие, соберут данные по скоплениям галактик, которые первыми должен был собрать «Спектр-РГ». Поэтому очень хотелось бы, чтобы он полетел хотя бы в 2015 году: потенциально это лучший из наших телескопов», – пояснил Попов. В случае его запуска эффект Сюняева--Зельдовича можно было бы эффективно использовать в качестве космологического инструмента на огромном массиве данных.

Еще одним важным прорывом в астрофизике, по мнению ученого, станут гравитационно-волновые детекторы. «Думаю, самое главное открытие ближайших пяти лет можно просто предсказать. Это работа гравитационно-волновых детекторов и регистрация слияния двойных черных дыр», – пророчит астрофизик.