Что будет с наукой в ближайшем будущем?
Если бы вы вернулись на 30 лет назад, мир был бы совершенно другим. Единственными известными планетами были планеты Солнечной системы. Мы понятия не имели, что такое темная энергия. Не было космических телескопов. Гравитационные волны были недоказанной теорией. Мы пока не открыли всех кварков и лептонов, никто не знал, существует ли бозон Хиггса. Мы даже не знали, как быстро расширяется Вселенная. В 2018 году, поколение спустя, мы существенно углубили наши знания в этих вопросах, а также сделали совершенно неожиданные открытия. Что дальше?
Что ученые планируют делать дальше?
Большой галактический кластер Abell 2744 и его эффект гравитационного линзирования на фоне галактик, согласующийся с общей теорией относительности Эйнштейна, растягивающий и увеличивающий свет далекой Вселенной, позволяя увидеть нам самые далекие объекты.
Всему миру пришлось поработать ради этой революции. Телескопы, обсерватории, ускорители частиц, детекторы нейтрино и эксперименты с гравитационными волнами имеются по всему миру, на всех семи континентах и даже в космосе. IceCube на Южном полюсе, «Хаббл», «Гершель» и «Кеплер» в космосе, LIGO и VIRGO, ищущие гравитационные волны, БАК и ЦЕРН — все эти открытия стали возможными благодаря работе тысяч ученых, инженеров, студентов и граждан, неустанно разгадывающих секреты Вселенной. При всем этом важно осознавать, насколько далеко мы зашли: мы понимаем Вселенную лучше любого человека предыдущего поколения, от Ньютона и Эйнштейна до Фейнмана. Они о таком могли только мечтать. Что же будет дальше?
После модернизации магнита БАК энергии запуска почти удвоились. Будущие апгрейды увеличат число столкновений в секунду и позволят извлекать еще больше данных.
Физика частиц
За последние несколько лет мы обнаружили бозон Хиггса, массивность нейтрино и нарушение Т-симметрии. БАК и ЦЕРН работают полным ходом, собирая данные на высоких энергиях. Между тем IceCube и обсерватория Пьера Оже измеряют нейтрино, в том числе высокоэнергетические и космические нейтрино, как никогда прежде. Будущие нейтринные обсерватории вроде IceCube Gen2 (с увеличенным в десять раз объемом столкновений) и ANTARES (детектор с морской водой на десять миллионов тонн) означают, что мы увидим десятикратное увеличение объемов данных, полученных в этих экспериментах и в конечном итоге увидим нейтрино новых сверновых или слияний нейтронных звезд.
Обсерватория IceCube, первая в своем роде нейтринная обсерватория, спроектированная для наблюдения неуловимых высокоэнергетических частиц из-под антарктических льдов.
Не следует преуменьшать важность апгрейдов для протекающих экспериментов. БАК, в частности, собрал только 2% данных, которые должен был собрать за срок службы. Между тем, возможно создание новых экспериментальных установок вроде Международного линейного коллайдера, протонного коллайдера нового поколения или даже (если технологии появятся) релятивистского мюонного коллайдера, которые позволят нам достичь новых границ в понимании физики фундаментальных частиц. Удивительное время жить.
Вид с воздуха на детектор гравитационных волн VIRGO, расположенный возле Пизы (Италия). VIRGO — это гигантский лазерный интерферометр Михельсона с 3-километровыми рукавами, дополненный двумя 4-километровыми детекторами LIGO.
Гравитационные волны
После десятилетий работы над множеством компонентов эпоха гравитационно-волновой астрономии не только наступила, но и успешно продолжается. В настоящее время обсерватории LIGO и VIRGO обнаружили в общей сложности пять слияний черных дыр и одно слияние нейтронных звезд, а после некоторых обновлений обещают стать еще чувствительнее. Это означает, что в следующий раз, когда они заработают, они смогут улавливать еще более тонкие и далекие сигналы. В последующие годы заработают детекторы KAGRA и LIGO в Индии, открывая возможности еще более точных гравитационно-волновых измерений. Гравитационные волны сверхновых, мерцания пульсаров, слияния двойных звезд и даже поглощений черными дырами нейтронных звезд могут быть также на горизонте.
LISA глазами художника
Однако не только LIGO занимается поиском гравитационных волн! В 2030-х годах будет запущена LISA (Laser Interferometer Space Antenna), которая позволит нам находить гравитационные волны сверхмассивных черных дыр, а также волны объектов с низкой частотой. В отличие от LIGO, сигналы LISA позволят нам предсказывать, когда и где будут происходить слияния, чтобы наши оптические телескопы были готовы запечатлеть такое крупное событие. Измерения поляризации космического микроволнового фона позволят выделить остаточные гравитационные волны после инфляции, а также другие сигналы гравитационные волн, которые накапливались миллиарды лет. Это совершенно новая область научных исследований.
Hubble Ultra Deep Field, содержащий 10 000 галактик, некоторые из которых скучкованы и скомканы вместе, это самый глубокий вид Вселенной, который у нас есть, демонстрирующий ее невероятную протяженность от ближайших структур до тех, свет которых шел к нам больше 13 миллиардов лет. И это только начало.
Астрономия и астрофизика
С чего начинается все новое в астрономии? Как будто наши протекающие миссии недостаточно зрелищные. Наземные, воздушные, космические эксперименты постоянно обновляются, дополняются новыми, более мощными инструментами; мы запускаем новые миссии в космос. Недавно запущенные миссии вроде Swift, NuSTAR, NICER и CREAM откроют нам новое окно к самым разным вещам, от энергетических космических лучей до недр нейтронных звезд. Инструмент HIRMES, который должен отправиться на борту SOFIA в следующем году, покажет нам, как диски протозвезд превращаются в раздутые полненькие звезды. TESS, который будет запущен в конце этого года, будет искать потенциально обитаемые планеты земных размеров возле самых ярких и близких к нам звезд в небе.
В 2020 году будет запущен инструмент IXPE, который позволит нам измерять рентгеновские лучи и их поляризацию, предоставит нам новую информацию о космических рентгеновских лучах и самых плотных, самых массивных объектах (вроде сверхмассивных черных дыр) во Вселенной. GUSTO, запущенный в рассчитанном на длительное странствие воздушном шаре над Арктикой, позволит нам изучать Млечный Путь и межзвездную среду, расскажет нам о фазах жизни звезды, от рождения и до самой смерти. XARM и ATHENA должны произвести переворот в рентгеновской астрономии, рассказав нам о формировании структур, потоках, исходящих из галактического центра, а в дальнейшем даже пролить свет на темную материю. Тем временем EUCLID обеспечит нас измерениями далекой вселенной и позволит увидеть тысячи сверхновых.
И все это не говоря о главных миссиях NASA вроде космического телескопа Джеймса Вебба, WFIRST или четырех кандидатов на главную миссию NASA в 2030 годах. Определить, какие из потенциально обитаемых миров обладают атмосферой, и измерить ее содержание; определить, какие строительные элементы жизни присутствуют в молекулярных облаках, и найти самые далекие галактики; найти самые первые звезды, созданные из газа Большого Взрыва, чтобы изучить их формирование и рост — все эти миссии могут помочь ответить на главные философские вопросы о том, откуда взялась наша Вселенная и почему она такая, какая есть.
В то же время на земле строятся массивные телескопы. Large Synoptic Survey Telescope объединит амбиции SDSS и Pan-STARRS и сделает их телескопы в 20 раз мощнее. Square Kilometer Array обещает радиоастрономам открыть тысячи новых черных дыр, а возможно, даже источники, которых мы пока не знаем. Еще мы строим телескопы 30-метрового класса вроде GMT и ELT, которые могут собирать в 100 раз больше света, чем «Хаббл». Секреты Вселенной вот-вот откроются нам.
Это, конечно, лишь верхушка айсберга. В каждой научной области, в каждой подобласти есть своя серия интересных экспериментов и предложений, и даже этот список, представленный здесь, далеко не всеобъемлющий, не включает даже планетарные научные миссии. И хотя космические агентства испытывают трудности с финансированием, тысячи и тысячи людей работают над этими миссиями — планируют, проектируют, строят и проводят их, а потом анализируют результаты. Когда ты в поиске фундаментальной правды о Вселенной, ты пытаешься ответить на такие вопросы:
- Из чего состоит Вселенная?
- Как все вокруг стало таким, каким стало?
- Существует ли жизнь во Вселенной, кроме нас?
- Какой будет конечная судьба всего?
Как сказал Томас Зарбухен из NASA о текущих и будущих миссиях вроде «Хаббла», «Джеймса Вебба», WFIRST и других: «Благодаря этим ведущим миссиям мы понимаем, почему изучаем Вселенную. Это наука в масштабах цивилизации. Если бы мы не делали этого, мы не были бы NASA».
И не просто NASA, а национальные и международные организации, которые работают сообща, позволяют нам искать ответы на вопросы, которых мы не могли даже задать поколение назад. По мере того, как раскрываются секреты Вселенной, они поднимают более глубокие и фундаментальные вопросы о нашем происхождении, композиции и судьбе. Это лучшее время для открытий, потому что Вселенная становится только ярче.