Недавно у нашей команды была возможность пообщаться с профессором Карло Бачигалупи — известным итальянским космологом. Родившийся в городе Каррара, Тоскана, в 1968 году, он прошел путь от Пизы и Рима до Чикаго и Триеста, сотрудничая с ведущими научными учреждениями США, Европы и Азии. В настоящее время Карло занимает должность профессора и координатора программы PhD по астрофизике и космологии в Международной школе передовых исследований (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, SISSA) в Триесте.
Исследования профессора Бачигалупи сосредоточены на физической космологии и ранней Вселенной — в частности, на изучении космического микроволнового фона (Cosmic Microwave Background, CMB), крупномасштабной структуры Вселенной (large-scale structure, LSS) и гравитационных волн (Gravita) эхо с момента рождения космоса. Он участвовал в миссии спутника Planck, одной из важнейших международных сотрудничество современной космологии, а ныне играет ключевую роль в глобальных проектах, таких как Euclid, Simons Observatory и LiteBIRD, призванных наблюдать и расшифровывать первые лучи света Вселенной.
Исследуя древнейшие эхо Вселенной
«Сегодня космология — это наука высокой точности. Она позволяет нам изучать процессы фундаментальной физики, которые невозможно воспроизвести в лабораториях на Земле. В эти годы мы наблюдаем космический микроволновый фон (CMB) и крупномасштабную структуру Вселенной (LSS)», — отмечает профессор.
Он объясняет: «CMB — это реликтовый свет от Большого взрыва. Мы исследуем его с помощью мощных инструментов наблюдения, включая спутников COsmic Background Explorer (COBE), Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и Planck. Однако одна составляющая картины CMB до сих пор отсутствует — очень слабый и неуловимый сигнал, который еще предстоит наблюдать. Он может содержать отражение первичных гравитационных волн — следов загадочных сил в ранней Вселенной, когда пространство-время расширялось почти экспоненциально в процессе, который мы называем инфляцией, под влиянием неизвестного источника вакуумной энергии. Для достижения этой цели ученые объединяют наземные обсерватории, такие как Simons Observatory, с будущими космическими миссиями, в частности LiteBIRD».
«Между тем, изучая крупномасштабную структуру Вселенной, мы можем исследовать две другие великие загадки современной физики — природу темной материи и темной энергии. Считается, что темная материя состоит из неизвестных частиц, вращающихся вокруг галактик, не излучая обычный свет. Темная энергия, возможно, еще более загадочная — это новая сила неизвестного происхождения, которая, похоже, влечет за собой ускоренное расширение Вселенной. Чтобы раскрыть эти тайны, очень важны наблюдения с помощью таких инструментов, как Euclid, James Webb Space Telescope (JWST) и наземных телескопов».
Когда мы спросили профессора Бачигалупи, почему так важно изучать раннюю Вселенную и космический микроволновый фон (CMB), он не колебался ни секунды и ответил: «Ранняя Вселенная — это наша естественная лаборатория для самой экстремальной физики, которую мы не можем воссоздать на Земле. CMB сохраняет крошечные квантовые колебания, растянутые в первые мгновения после Большого взрыва. Из этого «доисторического света» мы можем узнать, как были распределены материя и излучение, как формировались космические структуры и какие физические законы управляли теми эпохами». Благодаря этой «карте нашего происхождения» ученые могут измерять возраст, геометрию и состав Вселенной, а также проверять теории об инфляции, нейтрино и темной материи. «Это одновременно и запись нашего прошлого, и точный эталон для всех других космологических наблюдений, которые мы осуществляем сегодня», — добавляет он.
Когда Вселенная запела
Также мы спросили профессора, какое открытие удивило его больше всего, он улыбнулся и ответил: «“Акустические” пики в анизотропиях CMB. Я знаю теорию, которая стоит за этим явлением. Но когда появились реальные данные — сначала из аэростатных экспериментов, затем со спутников WMAP и особенно Planck — точность, с которой эти крошечные колебания первичной плазмы проявились на небе, просто захватывала дух. Увидеть, как теория превращается в наблюдаемый узор пиков и впадин, каждый из которых несет информацию о составе и геометрии Вселенной, это было как услышать, как космос играет свою мелодию. Больше всего меня удивило не само существование этих пиков — мы их ожидали, — а то, насколько чисто и согласовано с теорией природа их проявила. Это был момент, когда космология перешла от спекуляций к точной науке: мы вдруг смогли измерить возраст Вселенной, плотность барионов и темной материи, а также проверять физику нейтрино — все это, исходя из ряби, застывшей в космическом микроволновом фоне».
Десятилетие впереди: заглядывая глубже в космос
Глядя в будущее космологии, профессор Бачигалупи предполагает, что он называет «десятилетием точности и глубины».
«Мы объединим сверхточные измерения космического микроволнового фона с масштабными обзорами галактик и слабого гравитационного линзирования, чтобы исследовать гравитацию в течение космического времени, уменьшить систематические погрешности и проверить стандартную модель космологии под настоящим давлением, — объясняет ученый. — С практической стороны мы увидим более умные инструменты и системы обработки данных — фильтрацию на борту, более быстрые алгоритмы, открытые практики обмена данными — благодаря чему результаты появятся быстрее и будут легче использовать. С научной точки зрения, мы ожидаем более точных ограничений на физику нейтрино, рост космических структур и начальные условия Вселенной. Если природа скрывает небольшие отклонения от нашей текущей модели, именно в этот период они, скорее всего, проявятся».
ИИ и новые горизонты космологии
В эпоху, когда искусственный интеллект меняет каждую область науки, космология не является исключением. Отвечая на вопрос о роли вычислительных методов и машинного обучения, профессор Бачигалупи называет их «центральными инструментами». «Мы используем машинное обучение, чтобы выявлять слабые сигналы, очищать данные от систематических погрешностей и ускорять моделирование с помощью эмуляторов; сочетаем его с байесовскими методами (математический способ обновлять наши знания, когда появляются новые данные), чтобы более эффективно исследовать огромные пространства параметров. Но мы воспринимаем машинное обучение (Machine Learning, ML) как неотъемлемую часть процесса измерений, поэтому настаиваем на интерпретации, согласовании с теорией, оценке неопределенности и полной воспроизводимости. Цель не в том, чтобы заменить физику, а чтобы видеть ее более четко. И это только начало, только верхушка айсберга. С появлением искусственного интеллекта мы можем создавать сотрудничающие с нами цифровые агенты, выполняющие задачи и существенно расширяющие наши возможности познания», — объясняет ученый.
Мы также спросили, могут ли эти технологические достижения в конечном итоге привести к отклонениям от стандартной модели космологии. Профессор Бачигалупи задумался, а затем ответил: «Мы уже обнаружили явления, выходящие за пределы нашего понимания: инфляция, темная материя, темная энергия… Мы можем их описывать, задавать параметры, но не знаем, чем они на самом деле. Именно из малых отклонений, вне наших параметризации, может появиться шанс открыть дверь к настоящему знанию. Если отличия есть, они, возможно, незначительны. Текущие данные уже показывают определенные напряжения — возможно это ранние намеки, а возможно, они исчезнут с улучшением систематики. Однако будущие обзоры и наблюдения CMB испытают стандартную модель ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter, ΛCDM) на новом уровне: даже небольшое, но статистически подтвержденное отклонение, например в темпах роста структур, следах реликтового излучения или свойствах нейтрино, станет прорывом. Мой взгляд оптимистичен, но сдержан: мы внимательно ищем «трещины» в теории, ведь любой результат ценен, будь то точное подтверждение ΛCDM или открытие новой главы в фундаментальной физике».
Наука без границ: устойчивость Украины и глобальные связи
Для профессора Бачигалупи приезд в Украину — это настоящая позиция: «Это значит быть рядом с сообществом, которое отказывается позволить тьме определять свое будущее. Преподавать здесь — не рутина; это утверждение, что наука, достоинство и образование достойны защиты даже во время насильственной агрессии. Я приезжаю, чтобы делиться методами и результатами, но также — чтобы слушать: ваши вопросы, ваши идеи, ваше мужество». Во время пребывания в Украине он общался со многими студентами и учеными, отмечая их глубокую осведомленность в современной астрофизике и понимание международных проектов, таких как Euclid, LiteBIRD и Simons Observatory. «Больше всего меня поразила их способность сочетать локальные исследования с глобальным научным контекстом, — вспоминает профессор. — Несколько студентов уже обратились ко мне с реальными предложениями о сотрудничестве, начиная от численного моделирования, заканчивая анализом данных и разработкой приборов. Именно такой дух нам нужен: сочетание любознательности с инициативностью».
Он призывает их доверять собственному любопытству, следовать мечтам и искать связи: «Наука дарит творчество, открытия и мгновения красоты, которые ни одна война не сможет уничтожить. Даже небольшие сотрудничества могут перерасти в пожизненное партнерство, построив вашу карьеру и сообщество знаний, которое выходит за пределы границ».
В заключение мы задали профессору Бачигалупи несколько необычный вопрос: «Если бы вы могли быть каким-либо космическим объектом или явлением, кем бы вы стали?» Он сделал короткую паузу, а затем дал ответ, который лучше подходит человеку, посвятившему жизнь исследованию Вселенной: «Я бы, безусловно, стал внеземным интеллектом, чтобы понять, как это, смотреть на Вселенную не с человеческой точки зрения».
