[Перевод] Спросите Итана: куда движется современная наука?

Изображение трёх из четырёх известных экзопланет, вращающихся вокруг HR 8799, от 2010 года, представляет первый раз, когда такой маленький телескоп – ростом меньше взрослого человека – смог напрямую увидеть экзопланету.

Если бы вы отправились в прошлое всего на 30 лет, то вам бы предстал совсем не такой мир, как сегодня. Нам были известны только планеты в нашей Солнечной системе; у нас не было концепции тёмной энергии; не было космических телескопов; гравитационные волны были просто непроверенной теорией. Мы не открывали все кварки и лептоны, никто не знал, существует ли частица Хиггса. Мы даже не знали, насколько быстро расширяется Вселенная. В начале 2018 года, одно поколение спустя, мы совершили революцию во всех этих областях, и сделали открытия, которых никто не ожидал. А что будет дальше? Именно это хочет знать наш читатель:

Мне бы хотелось узнать, что учёные планируют делать дальше. Какие ожидаются новые поступления, что теоретики пишут на досках или просто какие идеи обсуждают?

По следам большой ежегодной встречи Американского астрономического общества как раз очень удобно будет обсудить будущее науки.


Крупное скопление галактик Abell 2744, также известное, как скопление Пандоры. Его эффект гравитационного линзирования, который видет по галактикам, находящимся сзади, совпадает с эйнштейновской ОТО; он растягивает и усиливает свет дальней Вселенной, и позволяет нам видеть самые удалённые объекты.

Весь мир работал над тем, чтобы привести нас к сегодняшнему уровню знаний. Телескопы, обсерватории, ускорители частиц, детекторы нейтрино, эксперименты с гравитационными волнами идут по всему земному шару, на всех семи континентах, и даже в космосе. От IceCube на южном полюсе до телескопов Хаббла, Гершеля и Кеплера в космосе, от LIGO/Virgo, ищущих гравитационные волны, до БАК в ЦЕРН – все открытия сделаны тысячами учёных, инженеров, студентов и граждан, без устали работающих над раскрытием тайн Вселенной. Со всеми этими знаниями важно помнить, как далеко мы уже продвинулись: мы понимаем Вселенную лучше, чем любой человек предыдущего поколения, от Ньютона до Эйнштейна и Фейнмана, мог ты только мечтать. А теперь давайте посмотрим, что нас ждёт дальше.

Обновление магнитов на БАК позволило ему почти удвоить энергию по сравнению с первыми пусками в 2010-2013 годах. Будущие обновления увеличат энергию и яркость (количество столкновений в секунду) и дадут ещё больше данных.

Физика частиц. За последние несколько лет мы открыли бозон Хиггса, наличие массы у нейтрино, нарушение обращения времени. БАК в ЦЕРН работает на полную мощность, и собрал уже больше данных на высоких уровнях энергии, чем все предыдущие эксперименты, вместе взятые. Тем временем IceCube и обсерватория Пьера Оже измеряют нейтрино, включая высокоэнергетические и космические, на новом уровне. В будущем новые нейтринные обсерватории, типа IceCube Gen2 (где количество столкновений будет увеличено в 10 раз) и ANTARES (детектор с десятью миллионами тонн морской воды) обеспечат нам десятикратное увеличение скорости поступления данных, и мы можем в результате увидеть даже нейтрино от новых сверхновых или от слияния нейтронных звёзд.

Обсерватория IceCube, первая нейтринная обсерватория своего рода, разработана для наблюдения за этими неуловимыми высокоэнергетическими частицами из-под толщи антарктического льда

Важность обновления оборудования текущих экспериментов нельзя недооценивать. К примеру, БАК собрал всего 2% данных от оценочного объёма, который он должен собрать за всё время планируемого существования. Потенциальное строительство новых экспериментов, например, международного линейного коллайдера, кольцевого протонного коллайдера следующего поколения, или даже (если появится технология) релятивистского мюонного коллайдера может привести нас к новым рубежам фундаментальной физики частиц. В прекрасное время живём.

Детектор гравитационных волн Virgo, расположенный в Кашине, недалеко от Пизы (Италия). Virgo – это гигантский лазерный интерферометр Майкельсона с плечами длиной в 3 км, дополняющий двойной четырёхкилометровый детектор LIGO.

Гравитационные волны. После десятилетий работ над множеством компонентов, эра гравитационной астрономии не только наступила, но и останется с нами надолго. Обсерватории Advanced LIGO и Virgo уже обнаружили пять слияниё чёрных дыр и одно слияние нейтронных звёзд, а после серии обновлений они станут ещё более чувствительными. Это значит, что после следующего запуска они смогут обнаруживать более слабые сигналы и более удалённые слияния. В ближайшие годы японский детектор KAGRA и LIGO India вступят в строй, и откроют новые возможности для ещё более точных измерений гравитационных волн. Нас могут ждать гравитационные волны от сверхновых, глитчи пульсаров, слияний двойных звёзд, и даже слияния нейтронных звёзд с чёрными дырами.

Три космических аппарата LISA в представлении художника – возмущение пространства, вызванное источниками гравитационных волн с долгими периодами обращения, должны дать нам интересную картину Вселенной. Проект LISA был задуман НАСА много лет назад, и теперь будет построен Европейским космическим агентством, с частичным, поддерживающим участием НАСА.

Но гравитационными волнами занят не только LIGO! Космическая антенна, использующая принцип лазерного интерферометра, LISA, будет запущена в 2030-х, и позволит нам обнаружить гравитационные волны сверхмассивных чёрных дыр и объектов с гораздо меньшей частотой. В отличие от LIGO, сигналы, полученные LISA, позволят нам предсказать, когда и где произойдёт слияния, что даст нам возможность подготовить оптические телескопы к этому событию. Измерения поляризации реликтового излучения попытаются прозондировать оставшиеся от инфляции гравитационные волны, и иные сигналы в виде гравитационных волн, на появление которых ушли миллиарды лет. А используя периоды пульсаров, при помощи таких решёток, как ACTA и NanoGRAV, мы сможем обнаруживать объекты, движение которых по орбите занимает годы или даже десятилетия. Это невероятное время для этого нового класса науки.

Изображение Hubble Ultra Deep Field содержит более 10 000 галактик, некоторые из которых собрались вместе. Это один из самых глубоких взглядов во Вселенной, демонстрирующий протяжённость от расположенных рядом с нами структур до тех, чей свет путешествовал более 13 млрд лет, пока не достиг нас. И это только начало.

Астрономия и астрофизика. С чего начать перечисление новинок астрономии? Как если бы наши текущие миссии были недостаточно удивительными, в которых эксперименты на земле, на воздушных шарах и самолётах постоянно обновляются и получают новые, улучшенные инструменты – у нас есть и новые миссии, отправляющиеся в космос и начинающие работать, и эти миссии обещают произвести революцию в наших знаниях. Запущенные заново мисси, например, Swift, NuSTAR, NICER и CREAM дадут нам возможность взглянуть по-новому на всё, от энергетических космических лучей до внутренностей нейтронных звёзд. Инструмент HIRMES, который должен будет взлететь в следующем году на борту SOFIA, покажет нам, как именно протозвёздные диски превращаются в настоящие звёзды. TESS, готовящийся к запуску в конце года, найдёт потенциально обитаемые планеты земного размера на орбитах самых ярких и ближайших звёзд.

Новая звезда GK Персея, показанная здесь в рентгеновских (синий), радио (розовый) и оптических (жёлтый) лучах на композитной фотографии – прекрасный пример того, что можно увидеть при помощи лучших телескопов текущего поколения. И восприятие всех этих длин волн, от рентгена до радио, чрезвычайно улучшится в ближайшие годы и десятилетия.

Далее в списке новых поступлений идёт IXPE, который будет запущен в 2020, и позволит нам измерять рентгеновские лучи и их поляризацию, что даст нам новую информацию о космическом рентгене и наиболее плотных, наиболее массивных объектах (таких, как сверхмассивные чёрные дыры) Вселенной. GUSTO, который будет запущен на долговременном воздушном шаре над Антарктикой, позволит нам изучить Млечный Путь и межзвёздную среду, и расскажет нам о всех фазах жизни звёзд, от рождения до смерти. XARM и ATHENA произведут революцию в рентгеновской астрономии, расскажут нам о формировании структур, истечении из центров галактик, и, возможно, даже прольют свет на тёмную материю. Тем временем, EUCLID проведёт измерения дальних уголков Вселенной в широком поле зрения, и позволит нам увидеть тысячи дальних сверхновых, а также даст нам наилучшие ограничения на параметры тёмной энергии.

Представление художника о телескопе Джеймса Уэбба, август 2013. Телескоп запустят в 2019-м [по последним данным – весной 2020-го / прим. перев.], и это будет наша величайшая инфракрасная обсерватория из всех – она покажет нам такие вещи, которые мы бы ни за что не нашли.

Это я уже не говорю о главных миссиях НАСА, таких, как космический телескоп Джеймса Уэбба, WFIRST или четыре кандидата на флагманскую миссию от НАСА на 2030-е годы. Задачи разнятся от поиска атмосфер на потенциально обитаемых мирах до измерения состава этих атмосфер (включая и поиск биопризнаков); от изучения имеющихся в молекулярных облаках строительных блоков жизни до поиска самых дальних галактик; от поиска первоначальных звёзд, состоящих из газа, возникшего во время Большого взрыва до изучения формирования и роста звёзд. Эти миссии ответят на самые крупные философские вопросы, касающиеся происхождения Вселенной и её развития.

Как будет выглядеть полностью построенный гигантский Магелланов телескоп. Он сможет рассмотреть землеподобные миры, находящиеся в 30 световых годах от нас, а юпитероподобные – на расстоянии во многие сотни световых лет.

В то же самое время строятся и революционные наземные телескопы и массивы. Большой обзорный телескоп Large Synoptic Survey Telescope сведёт воедино амбиции проектов SDSS и Pan-STARRS и расширит их, задействовав телескопы в 20 раз более мощные. Антенная решётка площадью в квадратный километр, Square Kilometre Array, позволит радиоастрономии достичь небывалых высот, открыть тысячи новых чёрных дыр и, вероятно, найти что-то пока нам неизвестное. Тем временем мы строим телескопы 30-метрового класса, такие, как GMT и ELT, которые смогут собирать в 100 раз больше света, чем Хаббл, будут обладать более совершенными инструментами и системами адаптивной оптики, чем всё, существующее сегодня. Мы сможем раскрыть секреты Вселенной.

В процентах от федерального бюджета [США] инвестиции в НАСА находятся на 58-летнем минимуме.

И это лишь поверхностное описание происходящего. Каждая научная область обладает своим набором удивительных экспериментов и предложений, и даже приведённый здесь список далёк от полного – он даже не включает миссии к планетам. И всё это происходит при уменьшении бюджета НАСА, которое не догоняет даже инфляцию. Но, несмотря на это, тысячи работающих над этими проектами людей — которые планируют, разрабатывают, строят и управляют ими, а также анализируют результаты — сохраняют оптимизм. Когда вам нравится поиск наиболее фундаментальных истин Вселенной, включая ответы на такие вопросы, как:

• Из чего состоит Вселенная?
• Как она получилась такой?
• Есть ли где-то ещё жизнь?
• Какова итоговая судьба всего?

вы найдёте способ достичь максимальных результатов при помощи ограниченных ресурсов.

Чем дальше вы заглядываете в пространство, тем дальше вы смотрите в прошлое. Чем раньше заглядываем, тем горячее, плотнее и менее развитой становится Вселенная. Та часть, что мы можем видеть, ограничена и конечно. Но что лежит за её пределами?

Как сказал Томас Зурбукен [заместитель директора по научным миссиям НАСА / прим. перев.] по поводу текущих и будущих флагманских миссий:

Мы изучаем Вселенную именно ради того, что узнаём из этих флагманских миссий. Это наука масштаба цивилизации. Если мы не будем этого делать, мы не будем НАСА.

Но не только работа НАСА, а усилия всех государственных и международных организаций позволяют нам отвечать на вопросы, которые ещё поколение назад мы даже не задавали. Открывая секреты Вселенной, мы обнаруживаем более глубокие и фундаментальные вопросы о нашем происхождении, составе и судьбе. Будущее науки не просто яркое, оно разворачивается прямо у нас на виду. Ещё не было времени лучше для того, чтобы разделить чудо простого существования в сегодняшнем дне – со всеми этими знаниями, которые мы приобрели, и которые мы ещё готовимся обнаружить.