Профессор НИЯУ МИФИ С.Г. Рубин о черных дырах, темной материи и дополнительных пространствах

С древних времён человечество задумывалось об устройстве Вселенной. Развитие космологии как науки дало огромный толчок к пониманию процессов не только об окружающем нас мире в настоящем, но и о жизни Вселенной в прошлом и будущем. О современной космологии и исследованиях ученых НИЯУ МИФИ в этой области рассказал профессор кафедры физики элементарных частиц Сергей Георгиевич Рубин.

– В последнее время новости из области космологии и астрофизики все чаще появляются в СМИ. Как Вы считаете, это связано больше с развитием теории или эксперимента?

– Это вечный вопрос единства и борьбы противоположностей между теорией и экспериментом – то теория вырывается вперёд, как это было с бозоном Хиггса, то эксперимент уходит далеко вперёд, как это происходит с сильными взаимодействиями. И то, и другое не очень хорошо. Гораздо лучше, когда они идут нога в ногу, давая друг другу новые идеи.

Если говорить про космологию, то теория там развита достаточно сильно. Под «достаточно сильно» я имею в виду факт существования множества отдельных теорий. В космологии, как в ФЭЧ, сейчас именно такая ситуация – теорий много, но какая именно из них реализуется, должен сказать эксперимент. За последние десятилетия точность наблюдений в космологии возросла на порядки. Большую роль в этом сыграли новые технологии для телескопов, совокупная система которых теперь охватывает всю Землю. Наблюдения за космосом позволяют ученым отсекать некоторые теории – точнее говорить о том, что вероятность их осуществления незначительна, и оставлять те модели или теории, которые пока не исключены.

– Какими направлениями в области космологии занимаются в НИЯУ МИФИ?

– Теорией в НИЯУ МИФИ занимается наша научная группа. Первое направление, которое мы разрабатываем – это модели, предсказывающие образование первичных массивных чёрных дыр (ЧД). Если раньше на подобные теории научное сообщество смотрело “косо”, то в последние два года они стали привлекать внимание. Это случилось не в последнюю очередь благодаря открытию слияния чёрных дыр. Кроме того, известно, что в истории Вселенной была реионизация – эпоха вторичной ионизации изначально нейтральных на тот момент атомов. Этот процесс тоже можно объяснить при помощи первичных чёрных дыр. Наша группа предложила и уже 16 лет развивает модель образования первичных чёрных дыр. Eсли в предыдущие годы было достаточно приближённых оценок, то сейчас требуются более точные данные.

Второе направление – это конечно же, теория тёмной материи. Что это такое? Почему мы её не видим? Возвращаясь к первичным чёрным дырам, они могут отвечать не только за существование ЧД в центрах Галактик, но и за существование самой тёмной материи – они могут являться её частицами.

Ещё одно направление, которым занимается наша научная группа – разработка идей дополнительных пространственных измерений. Это направление объединяет в себе и ФЭЧ, и космологию. У нашей научной группы есть множество статей, посвящённых этим вопросам – вы можете с ними ознакомиться у нас на сайте.

– Какие последние результаты исследований Вашей научной группы Вы можете выделить?

– Один из результатов, который я уже упомянул – эффект реионизации Вселенной за счёт ионизации кластерами чёрных дыр. Также есть идеи о тёмной материи, не состоящей из первичных черных дыр. Здесь удаётся получать интересные результаты, предполагая, что структура темной материи в нашей Галактике расположена специфическим образом.

В дополнительных измерениях у нас тоже есть прогресс. Давно известно о существовании таких структур, как «кротовые норы», но у них есть свои проблемы – очень трудно сделать их устойчивыми. Нам удалось придумать кротовую нору из нашего пространства в дополнительное. Это дополнительное пространство нам кажется очень маленьким, но, когда мы окажемся внутри него, оно для нас станет большим, а наше оригинальное – маленьким. Сейчас мы вычислили массу этого объекта – и в целом говоря, этот объект тоже может быть частицей тёмной материи.

Кроме того, известен факт барионной асимметрии Вселенной – значит, каким-то образом в процессе эволюции Вселенной в какой-то момент барионное число не сохранялось. Возникает вопрос – почему раньше оно не сохранялось, а сейчас сохраняется? Используя дополнительные измерения, мы пытаемся решить эту проблему. Сейчас мы с моим итальянским коллегой готовим к публикации первую статью по данной тематике. Есть предположение, что дополнительные измерения лежат в основе всей нашей физики, и одна из основных задач нашей научной группы состоит в разработке этой теории: предполагая свойства дополнительных измерений, получать наблюдаемые эффекты во Вселенной.

– Есть ли космологические модели, связывающие дополнительные измерения и столь популярные сейчас гравитационные волны?

– Если дополнительные пространства существуют, то они могут искривляться, и это искривление также будет влиять на гравитационные волны. Но так как дополнительные измерения, скорее всего, очень малы (ограничение сейчас – 10-18 см), то для того, чтобы гравитационные волны их ощутили, их длина волны должна быть соразмерна этому ограничению. Подобные параметры возможны только на ускорителях. В ЦЕРН есть научная группа, занимающаяся исследованиями дополнительных измерений. Их цель – найти колебания формы дополнительного пространства, которые и будут интерпретироваться как гравитационные волны. Поэтому с космологической точки зрения связать эти две вещи немного проблематично, а вот с точки зрения ФЭЧ – вполне возможно.

– Какую роль в космологических моделях играют гравитационные волны? Почему было так важно экспериментально подтвердить их существование?

– Физики уверены, что теория и эксперимент должны друг друга подтверждать и объяснять. Экспериментальный факт, который не объясняется теорией, очень тревожит умы теоретиков. Например, как с поколениями частиц - почему их именно три? Не шесть, не двенадцать, а именно три? Или как с частицами тёмной материи – теория предсказывает их существование, а экспериментально они обнаружены не были.

С гравитационными волнами примерно такая же ситуация – теория предсказывала их существование фактически с самого начала, но из-за их слабого взаимодействия их не могли обнаружить. Но сейчас и технология, и методы достигли таких вершин, что это стало возможно. Ведь как зарегистрировали гравитационные волны? Расстояние между двумя массивными зеркалами, изначально стоящими на расстоянии 4 километра друг от друга, изменилось на 10-18 см (обсерватория LIGO). И такое изменение было зарегистрировано и подтверждено обеими установками (а они стоят за три тысячи километров друг от друга!).

Теперь стало понятно, что теория Эйнштейна в низкоэнергетическом пределе верна, и можно забыть про теории гравитации, в которых волн нет. Для экспериментаторов это тоже важно, так как гравитационные волны фактически ни с чем не взаимодействуют (в отличие от фотонов и нейтрино). Благодаря ним можно получать информацию о первых мгновениях жизни Вселенной.

Теперь в астрономии могут использоваться все типы взаимодействий для изучения космологических феноменов – например, с помощью гравитационных волн можно изучать структуру нейтронных звёзд.

– Хочется обратиться к Вам как к теоретику с вопросом, тревожащим молодые умы наших студентов: в «чём будущее» космологии?

– Понять, что такое тёмная энергия и тёмная материя, и понять, какие процессы происходили в ранней Вселенной. В общем, мы понимаем, что была инфляция, было расширение – но моделей, которые конкретизируют это расширение, не меньше трёх сотен. Есть более вероятные модели, есть менее вероятные, а какие-то уже не могут соответствовать экспериментальным данным.

Также важна проблема тонкой настройки параметров Вселенной. То есть, если хотя бы немного изменить любой параметр Стандартной модели, то такая Вселенная, скорее всего не сможет существовать.

Тут тоже хорошо помогает идея дополнительных измерений – она позволяет показать, как образуются Вселенные с самыми разными свойствами. У нашей научной группы есть статьи, посвящённые данной проблеме.

Если смотреть совсем далеко вперёд, то у Вселенной не самый хороший прогноз: через много миллиардов лет Вселенная начнёт остывать, звёзды начнут исчезать, и человечеству будет некуда бежать (как, например, от взрывающегося Солнца). Фундаментальная физика пытается найти выход из такого положения: например, кто-то предлагает забраться внутрь чёрных дыр – и я сейчас говорю про серьёзные исследования!

Есть ещё предположение о путешествии в дополнительные пространства через кротовые норы – если воронка будет чуть больше 10-18 см, то, возможно, можно будет переслать человечество из умирающей Вселенной в только начинающую жить. Необязательно посылать туда человека – можно отправить туда информацию, на основе которой в новой Вселенной наша цивилизация самовосстановится.

Екатерина Козлова

Димитрий Краснопевцев

Источник иллюстрации