Visatos raidos modelį sukurti padėję Nobelio premijos laureatas Jimas Peeblesas aptaria tamsiąją materiją, ikonoklastinių idėjų vertę ir dėmesio vertas astronomines anomalijas

JIM PEEBLES plačiai žinomas kaip modernios kosmologijos architektas – ir šiaip malonus vadovas. Skirdamas jo 2019 metų fizikos Nobelio premijos dalį, komitetas sakė, kad jis „parodė kosmosą“, padėdamas sukurti „modernaus visatos istorijos supratimo pagrindo“ karkasą, standartinį kosmologijos modelį. Kiti apibūdino jį kaip „ekstraordinarų fiziką“, ir „itin protingą, gerą ir malonų“.

Dabar Princetono universiteto Alberto Einšteino mokslo profesoriaus, emerito, Peeblesʼo karjera prasidėjo čia 1960-ais, nuo Einšteino bendrojo reliatyvumo, kuriame gravitacija yra masės iškreipiamo erdvėlaikio rezultatas. Vėliau jis suskaičiavo Didžiojo sprogimo „aido“ – kosminio mikrobangų fono (KMF), kurio atradimas pavertė kosmologiją eksperimentiniu mokslu, charakteristikas. Be to, jis parodė, kad galaktikas supantys tamsiosios materijos halai sukuria astronomų stebimą masės pasiskirstymą, ir tvirtino, kad egzistuoja būtina mūsų kosmosui aprašyti ir Einšteino taip vengta kosmologinė konstanta. Iš pradžių ji prie bendrojo reliatyvumo lygčių prilipo kaip keista karamelė, bet dabar ji laikoma tamsiąja energija, visatą vis didėjančiu tempu plečiančia jėga.

Nepaisydamas standartino kosmologijos modelio sėkmės, Peeblesas visuomet bandė po jas pasikasti. Kelis pastaruosius metus jis nagrinėjo astronomines anomalijas – keistas galaktikas ir kitus įdomius fenomenus – galinčias atskleisti mūsų supratimo spragas.

Jis papasakojo New Scientist apie savo kosmologijos viziją, nukrypimo nuo generalinės linijos svarbą ir ar tikrai verta ieškoti visko teorijos.

Michael Brooks:
– Kai sakėte, kad norint tinkamai paaiškinti kosmoso evoliuciją, būtina ir tamsioji materija ir tamsioji energija, ar žinojote, kaip tai gali būti svarbu?

Jim Peebles:
– Visai ne. Tai tebuvo spėjimai, kaip duomenis galima suderinti su teorija. 1990-aisiais, daugelis, taip pat ir aš, manė, kad logiškiausia, elegantiškiausia visata būtų be Einšteino kosmologinės konstantos. Einsteinui ji nepatiko. Dalelių fizikams ji nepatiko.

Tačiau, duomenys rodė, kad visatos materijos tankis yra per mažas, lyginant su išmatuotu plėtimosi tempu, nebent pridėtume Einšteino kosmologinę konstantą. Tad, jaučiau, kad tai verta svarstyti. Besispardančią ir rėkiančią bendruomenę teko įtikinėti, kad reikia išmokti gyventi su lambda [Λ, graikiška raidė, žyminti standartinio kosmologijos modelio, kuriame įtraukta ir tamsioji materija, kosmologinę konstantą]. Gerai prisimenu, kaip vienas jaunas teoretikas tada sakė: „Jūs tai darote vien tam, kad paerzintumėte mus!“

– Ar jus neramina tai, kad tikros tamsiosios materijos prigimties lig šiol neišsiaiškinome, ar tai yra dalelė o gal visas jų spektras?

– Ne, man tai visiškai nekliudo. Nėra jokios garantijos, kad tamsioji materija kada nors bus aptikta tiesiogiai, ir nuostabi kosmologijos sėkmė liudija kad einame teisingu keliu ir kad šiam keliui būtina tamsioji materija.

Bet nepaisant to, manau, kad geresnio supratimo reikia. Standartiniuose skaičiavimuose tamsioji materija traktuojama kaip praktiškai nesusiduriančių dalelių dujos. Tokia buvo pradinė idėja, kurią pristačiau devintajame dešimtmetyje, ir ji tikrai veikia visai gerai, bet pasiūliau ją su paprasčiausiomis įmanomomis savybėmis. Man atrodo beprotiška, kad tamsioji materija, sudaranti apie 27 procentus visatos masės, yra tokia paprasta. Matomos materijos fizika iš tikrųjų labai sudėtinga. Argi ši tamsioji materija neturėtų būti įdomesnė?

Tad, tikiuosi svarbaus atradimo, kurį gal paskatins geresnis galaktikų formavimosi paaiškinimas ar dar kas. Bet jis parodys, kad tamsusis sektorius – tamsioji materija ir tamsioji energija – yra įdomesnis.

– Kai kas kalba apie kosmologijos krizę dėl tamsiąją energiją ir tamsiąją materiją gaubiančios paslapties. O dar yra Hubble'o įtampa, kai skirtingais būdais matuojant visatos plėtimosi tempą, vadinamąją Hubble'o konstantą, gaunamas skirtingas rezultatas. Ką manote apie tokias anomalijas?

– Mane stulbina kosmologijos pasiekimai nuo tada, kai pradėjau ją tirti septintojo dešimtmečio viduryje. Niekas mums negarantavo, kad tiek pasieksime, kiek pasiekėme, ir dabar niekas negarantuoja, kad darysime vieną didį atradimą po kito. Bet dabartinė situacija man atrodo kaip auksinė galimybė. Yra daugybė anomalijų, bet perspektyva stulbinama. Sprendžiame gerai apibrėžtas problemas: aptikti tamsiąją materiją; rasti daugiau tamsiosios energijos įrodymų; užfiksuoti galaktikų formavimąsi ir vystymąsi.

Kalbant apie Hubble'o įtampą, tai didžiąją mano karjeros dalį Hubble'o konstanta buvo išties sunki problema – ir su ja visai gerai susitvarkėme! Turime du labai skirtingus matavimo būdus, susijusius su tuo, kas nutiko tūkstantį kartų mažesnio dydžio visatai, ir gauti rezultatai skiriasi [vienas nuo kito] 10 procentų. Man tai atrodo vau, nuostabu! Bet, žinoma, tie 10 procentų yra svarbu.

Nujaučiu, kad šių dviejų rezultatų neatitikimas susijęs su kokia nors sistemine galaktinių atstumų matavimo klaida. Bet gal tai būtinų teorijos patobulinimų užuomina. Yra ir kitų tokios prigimties spėjimų. Manau, reikia labai tikėtis, kad pasirodys ir kitos anomalijos.

– Užsiminėte apie tai savo 2022 metų straipsnyje, sakydamas, kad nepakankamai dėmesio skiriama kosmologijos anomalijoms. Kurios labiausiai domina jus?

– Na, yra srauto anomalija: visa mūsų galaktika juda per šią radiacijos jūrą gerai išmatuotu greičiu ir kryptimi. Pagal standartinę teoriją, judame dėl [tolygaus visatos materijos pasiskirstymo] fluktuacijų kuriamos gravitacinės traukos. Bet ji trauka mus ne ta kryptimi, kaip būtų galima tikėtis.

Bendruomenė gan užtikrinta, kad tai yra kažkokia sisteminė matavimo klaida. Didelio masto fluktuacijas, nukrypimus nuo homogeniškumo, kurie trauktų stipriau, matuoti itin sunku. Tačiau nepaisant to, nedidelė bendruomenės dalis labai sunkiai dirbo, kad tų neapibrėžtumų liktų kuo mažiau, ir tarp jų yra žmonių, kurių nuomonę itin gerbiu, ir jei anomalija išties egzistuoja, tuomet tai negali nejaudinti, nes tai gali būti pradinių visatos sąlygų užuomina.

Kitas itin įdomus fenomenas yra tuštumos anomalija. Mes esame šalia tuštumos, tai yra regiono, kuriame gerokai mažiau objektų. Tokiose tuštumose galima būtų tikėtis daugiau nykštukinių galaktikų, nei matome, o tokių didelių spiralinių galaktikų, kaip mūsiškė, iš viso nesitikėtume matyti, bet jų ten šiek tiek yra. Tai tiesiog nedera ir rodo, kad dar neturime tinkamos teorijos apie materiją, iš kurios susidaro galaktikos, o tai, žinoma, ir tamsioji materija.

Galaktikų formavimuisi neabejotinai daro įtaką tamsioji materija. Jeigu dabartinę standartinę kosmologiją paimtume kaip pradines sąlygas ir pasektume į žvaigždžių galaktikas susitelkiančios materijos pasiskirstymo evoliuciją, man atrodo, kad kai kurie gretimų galaktikų aspektai neatitiktų rezultatų. Tikslaus pirmųjų galaktikų susiformavimo, žvaigždžių greičio pasiskirstymo galaktikose, supermasyvių juodųjų bedugnių kilmės – šių ir kitų empirinių stebėjimų standartinė kosmologija nuodugniai dar nepaaiškina. Bet tokie dalykai, kaip James Webb kosminis teleskopas (JWST) yra itin perspektyvūs: jais išsiaiškiname naujo apie galaktikų formavimąsi, ir tai galiausiai suteiks informaciją apie tamsiosios materijos prigimtį.

– O ką manote apie modifikuotas gravitacijos teorijas, tokias, kaip modifikuota Niutono dinamiką (MOND) – kuriose Niutono visuotinės traukos jėga kosmologiniu masteliu tarp masių kinta. Ar jos galėtų pateikti tamsiosios materijos problemos atsakymą?

– Na, turiu būti mandagus, nes jų laikosi kai kurie mano gerbiami žmonės, bet aš nematau vilties MOND. Jei tektų galvoti vien apie galaktikas, tuomet MAND tikrai reikėtų vertinti rimtai. Bet vien tuo neapsiribojama: yra stebėjimai dideliu mastu, kur labai reiklios prognozės pasitvirtina itin tiksliai. Šios prognozės priklauso nuo tamsiosios materijos. Jei nebūtų tamsiosios materijos ir galiotų MOND, kaip prognozės būtų galėjusios būti tokios tikslios?

– Ar mokslininkai gali tyrinėti šias anomalijas, nerizikuodami savo reputacija?

– Reikia iš tiesų būti labai atsargiu, nes siūlyti revoliucines idėjas ir tuo mat metu nepasirodyti pakvaišusiu – išties rimtas iššūkis. Bet manau, kad kosmologijoje šiek tiek neįvertinami maži projektai, kuriais žvelgiama už visuotinai priimamų tyrimų ribų. Rekomenduočiau užsiimantiems observacine kosmologija daugiau dėmesio skirti šiek tiek ikonoklastinėms idėjoms, bet nepersistengti. Įsižiūrėti į kai kurias iš šių keistų savybių ir aiškintis, kodėl jos ne taip tiksliai atitinka standartinę teoriją – bet gal tik jei turite etatą!

– Tikriausiai galėtume sakyti, kad būtent tai darėte ir jūs. Tai buvo tikslinga strategija ar atsitiktinumas?

– Tinkamu laiku atsidūriau tinkamoje vietoje. Atvykau į Princetoną manydamas, kad užsiimsiu teorine dalelių fizika, bet, laimei, atklydau į Bobo Dicke'o vadovaujamą tyrimo grupę. Jis nusprendė, kad gravitacijai nebuvo kreipiamas tinkamas dėmesys, nes klasikiniai prieškariniai eksperimentai jau buvo atlikti ir buvo sunku sugalvoti, kaip juos būtų galima atlikti geriau. Jis suvokė, kad Antrojo pasaulinio karo metu sukurta ir vėliau patobulinta technika galima iš naujo ir geriau atlikti senus ir naujus eksperimentus. Tad, jis pradėjo puikią visų gravitacijos aspektų tikrinimo programą. Tai buvo nuostabus laikas.

– Neseniai apžvelgėte savo karjerą ir parašėte netrukus pasirodysiantį straipsnį „fiziko fizikos filosofija“. Ar norėtumėte, kad kažkas panašaus būtų buvę jūsų karjeros pradžioje?

– Ne, manau, tai tiesiog būtų padarę mane atsiskyrėliu! Mane tai sužavėjo tik vėliau – kai savęs klausiau, ką darau? Ir nusprendžiau, kad veikiu kažką filosofiškai įdomaus. Esu keistos rūšies fizikas: iš tiesų nesu joks teoretikas, ir iš tiesų nesu tikras eksperimentuotojas. Vienas iš mano ankstyviausių atminimų, kai susinervinau negalėjęs surinkti savo išardyto kavos perkoliatoriaus. Man patiko tokie daiktai, maži dalykai, kuriuos galėčiau paimti ir pabandyti suprasti.

Manau, tokia mano charakteristika tebegalioja. Mano rankos auga iš tinkamos vietos, bet niekada nesu buvęs teleskope, kai jis buvo naudojamas kam nors produktyviam. Veikiau esu intuityvus mąstytojas. Galų gale, mano filosofija yra gan tiesmuka: daryk tai, kas tave domina, bet išlaikyk artimą kontaktą su fiziniais reiškiniais.

– Savo filosofijoje keliate klausimą, ar verta ieškoti visko teorijos. Kokia jūsų išvada?

– Mane tai sužavėjo. Dažnai galvojau, kodėl darome prielaidą, kad visata laikosi taisyklių, kurias galime suprasti. Bet iš tiesų yra užuominų, kad gamta mums suteikė šią nuostabią dovaną.

Man atrodo, galima sakyti, kad fizika prasidėjo tada, kai žmonės pirmą kartą pradėjo sekti žvaigždžių ir planetų judėjimą. Jie matė, kad planetų judėjimas nebuvo paprastas, bet buvo reguliarus. Prieš tūkstančius metų žmonės galėjo numatyti Saulės užtemimus gerokai iš anksti. Dabar, manau, šis nuspėjamumas yra mūsų veiklos centre: bandome sukurti teoriją, kuri prognozuotų daug nelauktų dalykų. Jei pasiseks, tai parodys, kad teorija yra gan gera realybės aproksimacija. Iš tiesų tai ir yra visa tezė.

Nors geriausios mūsų fizikos teorijos iš tiesų puikios – nuostabiai prediktyvios – nė viena iš jų nėra išsami. Pritaikytos neteisingoje situacijoje, jos neveikia. Taip tiesiog yra. Tad, gan aišku, manau, kad fizikams niekas galutinės visaapimančios teorijos garantijos neteikia.

Vietoje to, statau ant nuoseklios aproksimacijos realybės link. Bus geriau ir geriau, bet galo pasiekti nepavyks. Nes mano pasaulėžiūroje, norint ten nusigauti, prognozes reikia tikrinti eksperimentais, o eksperimentai yra baigtiniai: jie negali ištirti visų galimybių visu tikslumu. Tad, darau išvadą, kad niekada ten nenusigausime.

Michael Brooks
www.newscientist.com