$100 000 ученым, изучающим крупномасштабную структуру Вселенной

Трое ученых выиграли 100 000 долларов за свою работу над новыми способами изучения крупномасштабной структуры Вселенной — огромных переплетающихся волокон материи, которые скрывают свидетельства фундаментальных сил нашей Вселенной.

Михаил Иванов из Массачусетского технологического института, Оливер Филкокс из Колумбийского университета и Фонда Саймонса и Марко Симонович из Университета Флоренции получили премию "Новые горизонты" по физике "за вклад в наше понимание крупномасштабной структуры Вселенной и разработку новых инструментов для извлечения фундаментальных физических данных из обзоров галактик".

Премия "Новые горизонты" ежегодно вручается Фондом Breakthrough Prize начинающим исследователям, призовые деньги выделены технологическими миллиардерами Сергеем Брином, Присциллой Чан и Марком Цукербергом, Юрием и Джулией Милнер и Энн Войчицки. 

Согласно стандартной модели космологии, Вселенная начала формироваться после Большого взрыва, когда молодой космос кишел частицами как материи, так и антивещества, которые уничтожали друг друга при контакте. Таким образом большинство строительных блоков Вселенной уничтожили сами себя. Если бы они сделали это полностью, то не образовались бы галактики, звезды или планеты.

Однако вселенную спасли крошечные возмущения в быстро расширяющейся ткани пространства-времени, которые позволили выжить некоторым частицам плазмы. По мере того, как бурлящий бульон из частиц и античастиц молодого космоса расширялся, его расплавленные нити выходили наружу, образуя взаимосвязанную структуру из тонких пленок, окружающих бесчисленные, в основном пустые полости.

Сегодня Вселенная существует как карта тех самых ранних взаимодействий частиц, которые застыли во времени вдоль нитей и структур огромной космической сети (сегодня это места рождения галактик, подобных нашей). Форма этой сети намекает на таинственные изначальные силы, которые сформировали ее.

"Если вы представите, что берете Большой адронный коллайдер в ЦЕРНЕ и увеличиваете его в триллион или триллион триллионов раз, то это тот самый коллайдер частиц, который на самом деле работал в ранней Вселенной, - рассказывает Оливер Филкокс. - И все, что происходило в нем, повлияло на распределение материи".

Обнаружение того, где находилась материя сразу после Большого взрыва, может выявить ранние взаимодействия частиц, которые произошли во время последовавшей инфляции, момента, когда Вселенная расширялась экспоненциально быстро всего за долю секунды. Если мы рассматриваем галактики как окаменелые останки этих самых ранних моментов, мы можем искать намеки на физику элементарных частиц в сверхранней вселенной, поясняет Филкокс.

До недавнего времени, как из-за теоретических, так и экспериментальных ограничений, физики, изучающие эволюцию нашей Вселенной, в основном фокусировались на космическом микроволновом фоне (CMB) — остаточном излучении от Большого взрыва, которое существует в виде 2D-изображения, запечатленного в каждом уголке неба.

Его можно объяснить простой теоремой, называемой космологической теорией возмущений.

Однако растущая способность составлять карты космической сети Вселенной и желание понять таинственные явления, такие как темная материя и темная энергия (ни одно из которых не объясняется современной космологией), побудили физиков взглянуть на крупномасштабные структуры сети напрямую.

Однако составить астрономическую картографию этих огромных структур непросто. Галактики образуются в результате сложных астрофизических процессов, вызванных расширением Вселенной и коллапсом ее вещества.

Например, когда крупные структуры сближаются друг с другом, проявляются нелинейные эффекты, такие как вириализация (когда гравитационные объекты по спирали выходят на стабильную орбиту). Когда они находятся далеко, релятивистские эффекты от расширения Вселенной деформируют пространство-время, также нарушая линейные уравнения.

"Хорошей аналогией могли бы быть волны на воде. Если наша вселенная - океан, то колебания реликтового излучения - это крошечная рябь на его поверхности. Тогда галактика была бы цунами или ураганом, - рассказывает Михаил Иванов в интервью Live Science. - Рябь на воде можно легко описать в рамках базовой гидродинамики, разработанной столетия назад. По сути, это космологическая теория возмущений. Ураган невозможно описать ручкой и бумагой, мы можем провести для него несколько дорогостоящих компьютерных симуляций, но они крайне неопределенны".

Чтобы обойти эти математические препятствия, исследователи внесли свой вклад в теорию, называемую эффективной теорией поля (EFT) для крупномасштабных структур, а также создали несколько статистических инструментов, которые помогут им анализировать, как взаимодействуют галактики. 

Поскольку линейные уравнения, описывающие раннюю Вселенную, нарушаются на обоих концах космической шкалы, EFT сглаживает картину, упрощая галактики в виде точек и рассматривая их положения в космосе на нужном расстоянии, чтобы два лучших описания гравитации (ньютоновская механика и общая теория относительности) были применимы лишь с незначительными корректировками.

Теоретики, работающие над EFT, сравнили это с просмотром картины пуантилиста: установите порядок величины, в котором мы рассматриваем Вселенную, и мы увидим ее ясно — не слишком близко для ее мелкомасштабного хаоса и не слишком далеко для релятивистского искажения.

Это дало физикам новый мощный инструмент для изучения космоса, позволяющий им делать проверяемые прогнозы о его самых ранних зачатках.

"Эти новые идеи могут привести к новым научным обоснованиям для будущих исследований галактик, - заключает Марко Симонович. - Поскольку в ближайшие годы начнут поступать новые данные, безусловно, будет очень интересно увидеть, что мы можем узнать о нашей Вселенной помимо того, что мы уже знаем, и какие сюрпризы ждут нас на этом пути".