Премия в размере 100 000 долларов США за прорыв в физике вручена трем ученым, изучающим крупномасштабную структуру Вселенной

 Михаил Иванов, Оливер Филкокс и Марко Симонович получили премию «Новые горизонты» за свою работу над крупномасштабными структурами — нитями нашей Вселенной, которые содержат скрытые ключи к ее наиболее фундаментальным свойствам.

Космическая паутина в представлении художника. Он выглядит как обширная паутинистая структура или в основном фиолетовые и оранжевые нити на черном фоне. (Фото: space.com)

Трое учёных выиграли 100 000 долларов за свою работу над новыми способами изучения крупномасштабной структуры Вселенной — огромных завитков перекрещивающейся материи, скрывающих свидетельства фундаментальных сил нашей Вселенной.

Михаил Иванов из Массачусетского технологического института, Оливер Филкокс из Колумбийского университета и Фонда Саймонса, а также Марко Симонович из Флорентийского университета получили премию «Новые горизонты» в области физики «за вклад в наше понимание крупномасштабной структуры Вселенной и разработка новых инструментов для извлечения фундаментальной физики из исследований галактик».

Премия «Новые горизонты» ежегодно вручается начинающим исследователям Фондом премии «Прорыв», а призовые деньги жертвуют технологические миллиардеры Сергей Брин, Присцилла Чан и Марк Цукерберг, Юрий и Джулия Мильнер и Энн Войжитски. Вторая премия также была присуждена в этом году Александру Лупсаске из Университета Вандербильта и Майклу Джонсону из Гарвардского университета за их работу по поиску загадочных фотонных сфер черной дыры.

Внутри космологического коллайдера

Согласно стандартной модели космологии, Вселенная начала формироваться после Большого взрыва, когда молодой космос кишел частицами материи и антиматерии, которые возникли только для того, чтобы уничтожить друг друга при контакте. Таким образом уничтожилось большинство строительных блоков Вселенной. Если бы они сделали это полностью, никакие галактики, звезды или планеты не образовались бы.

И все же Вселенную спасли крошечные возмущения в быстро расширяющейся ткани пространства-времени, которые позволили некоторым очагам плазмы выжить. По мере того как бурлящий бульон частиц и античастиц молодого космоса расширялся, его расплавленные нити двигались наружу, образуя взаимосвязанную структуру мыльной пены из тонких пленок, окружающих бесчисленные, в основном пустые пустоты.

Сегодня Вселенная существует как карта тех самых ранних взаимодействий частиц, которые застыли во времени вдоль нитей и структур огромной космической паутины (сегодня это место рождения таких галактик, как наша). Форма этой паутины намекает на таинственные первобытные силы, которые ее сформировали.

«Если вы представите, что берете Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе и увеличиваете его в триллион или триллион триллионов раз, это тот тип коллайдера частиц, который на самом деле работает в ранней Вселенной», — сказал Оливер Филкокс в интервью Live Science. . «И что бы ни случилось странного, это повлияет на распределение материи».

Обнаружение того, где находилась материя сразу после Большого взрыва, может выявить ранние взаимодействия частиц, которые произошли во время последующей инфляции, момента, когда Вселенная расширялась экспоненциально быстро в течение всего лишь доли секунды. Если мы будем рассматривать галактики как окаменелые останки этих самых ранних моментов, мы сможем искать намеки на физику элементарных частиц в сверхранней Вселенной, сказал Филкокс.

«Поэтому его иногда называют «космологическим коллайдером» — как коллайдер частиц в масштабе всей Вселенной», — добавил Филкокс.

До недавнего времени, из-за как 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 двумерного изображения, выжженного в каждом уголке неба. . Это можно объяснить простой теоремой, включающей только линейные члены, называемой космологической теорией возмущений.

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

Точечное картирование космического урагана

Однако астрономическая картография этих огромных структур сложна. Галактики возникают в результате сложных астрофизических процессов, вызванных расширением Вселенной и коллапсом ее материи.

Например, когда крупные структуры приближаются друг к другу, начинают проявляться нелинейные эффекты, такие как вириализация (когда гравитационные объекты выходят на стабильную орбиту). Когда они находятся далеко, релятивистские эффекты расширения Вселенной искажают пространство-время, что также нарушает линейные уравнения.

«Хорошей аналогией могут быть водные волны. Если наша Вселенная — это океан, колебания реликтового излучения — это крошечная рябь на ее поверхности. Тогда галактика была бы цунами или ураганом», — рассказал Михаил Иванов Live Science. «Водную рябь можно легко описать в рамках базовой гидродинамики, разработанной много веков назад. По сути, это космологическая теория возмущений. Ураган невозможно описать ручкой и бумагой, мы можем провести для него дорогостоящее компьютерное моделирование, но оно весьма неопределенный».

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 взаимодействие галактик.

Поскольку линейные уравнения, описывающие раннюю Вселенную, не работают на обоих концах космической шкалы, ТЭО сглаживает картину, упрощая галактики в виде точек и рассматривая их положения в космосе на расстоянии, правильном для наших двух лучших описаний гравитации (ньютоновская теория гравитации). механика и общая теория относительности), которые будут применимы лишь с небольшими поправками.

Теоретики, работающие над ТЭО, сравнили это с просмотром картины пуантилистов: установите порядок величины, на котором мы видим Вселенную, и мы увидим ее ясно — не слишком близко для ее мелкомасштабного хаоса и не слишком далеко для релятивистского искажения.

Пейзаж с каналом (1894) — понтилистская картина голландско-индонезийского художника Яна Торопа. (Фото: space.com)

Это дало физикам новый мощный инструмент для изучения космоса, позволяющий им делать проверяемые предсказания о его самом раннем зарождении.

«Эти новые идеи могут создать новые научные обоснования для будущих исследований галактик», — рассказал Марко Симонович Live Science. «Поскольку в ближайшие годы начнут поступать новые данные, безусловно, будет очень интересно увидеть, что мы сможем узнать о нашей Вселенной помимо того, что мы уже знаем, и какие сюрпризы ждут нас на этом пути».

Источник