Αναζητώντας τα σκοτεινά αστέρια

Τον Σεπτέμβριο, η Katherine Freese θα αναλάβει το τιμόνι ενός από τα πιο διάσημα θεωρητικά ινστιτούτα στον κόσμο, το Nordita, το Nordic Institute for Theoretical Physics, στη Στοκχόλμη της Σουηδίας. Για τα επόμενα τρία χρόνια θα είναι η βάση της για να αναλογιστεί τα βαθύτερα μυστήρια στον κόσμο, ιδιαίτερα την ταυτότητα της σκοτεινής ύλης, που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της μάζας στο σύμπαν, αλλά αρνείται πεισματικά να αποκαλυφθεί στις αναζητήσεις των φυσικών. /P>

Ο Freese, ένας θεωρητικός αστροφυσικός που είναι επί του παρόντος καθηγητής Φυσικής George E. Uhlenbeck στο Πανεπιστήμιο του Michigan, έχει συνεισφέρει σημαντικά στη θεωρία του πληθωρισμού, τη σύντομη έκρηξη της εκθετικά ταχείας επέκτασης που πιστεύεται ότι ακολούθησε αμέσως τη Μεγάλη Έκρηξη. και έχει προτείνει εξηγήσεις για τη σκοτεινή ενέργεια, τη μυστηριώδη δύναμη που πιστεύεται ότι είναι υπεύθυνη για την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος.

Ως προπτυχιακός, η Freese ήταν μια από τις πρώτες γυναίκες που ασχολήθηκαν με τη φυσική στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Στη συνέχεια σπούδασε στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια προτού γίνει μεταπτυχιακός φοιτητής του θρυλικού Ντέιβιντ Σραμ στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, κερδίζοντας μέλος της περιβόητης «μαφίας του Σικάγο» των πρωτοπόρων στο νέο πεδίο της αστροφυσικής των σωματιδίων.

Πρόσφατα πρότεινε ότι τα αστρονομικά αντικείμενα που τροφοδοτούνται από τη σκοτεινή ύλη, που ονομάζονται σκοτεινά αστέρια, μπορεί να ήταν τα πρώτα αστέρια στο σύμπαν.

Τον Μάιο, το Princeton University Press δημοσίευσε το βιβλίο της «The Cosmic Cocktail». Προορισμένο για ένα ευρύ κοινό, το βιβλίο περιγράφει την επιστημονική αναζήτηση για την κατανόηση της σκοτεινής ύλης και τις εμπειρίες της ως γυναίκα στη φυσική.

«Σε όλη μου την καριέρα πάντα γνώριζα ότι είμαι γυναίκα στη φυσική», είπε. «Κάθε αίθουσα, κάθε συνέδριο στο οποίο πήγαινα, κάθε κεφάλι θα γύριζε». Η μετακίνησή της στη Στοκχόλμη, είπε, οφείλεται εν μέρει στην πολιτιστική αποδοχή των γυναικών στην επιστήμη εκεί. "Σε ολόκληρο τον πλανήτη, απ' όσο μπορώ να πω, το καλύτερο μέρος για μια γυναίκα να κάνει επιστήμη είναι η Σκανδιναβία", είπε.

Το Quanta Magazine πήρε συνέντευξη από τον Freese πρόσφατα στη Νέα Υόρκη. Ακολουθούν επεξεργασμένα αποσπάσματα αυτής της συνέντευξης.

QUANTA MAGAZINE:Πες μου για τη Nordita.

KATHERINE FREESE:Το Nordita είναι το ινστιτούτο θεωρητικής φυσικής για τις σκανδιναβικές χώρες, που περιλαμβάνουν τη Σκανδιναβία και την Ισλανδία. Είναι ένα από τα πιο διάσημα ινστιτούτα θεωρητικής φυσικής στον κόσμο.

Τι σας έκανε να ενδιαφερθείτε να γίνετε διευθυντής της Nordita;

Ένα σημαντικό συστατικό ήταν ότι έπρεπε να μου αρέσει η Στοκχόλμη. Ήμουν στο διοικητικό συμβούλιο του Oskar Klein Center for Cosmoparticle Physics, που με πήγαινε εκεί μία ή δύο χρόνια. Γνώρισα τη Στοκχόλμη και ήταν ένα από τα πιο όμορφα μέρη στη Γη, μια όμορφη πόλη, πολλά νερά — Μου αρέσει να επιβιβάζομαι σε βάρκες — και πραγματικά πολύ φιλικοί άνθρωποι.

Αλλά αυτό δεν θα ήταν αρκετό. Αυτή η ευκαιρία να διευθύνω ένα από τα μεγαλύτερα ινστιτούτα στον πλανήτη είναι συναρπαστική. Είναι μια ηγετική θέση που ανυπομονώ να δοκιμάσω. Αλλά δεν μετακομίζω μόνιμα στη Στοκχόλμη. Θα είμαι σε άδεια από το Μίσιγκαν.

Γιατί κάνατε τη σκοτεινή ύλη τόσο κεντρικό σημείο της ερευνητικής σας καριέρας;

Δεν νομίζω ότι είναι μια απόφαση που πήρα. Μπήκα σε αυτό και μετά συνέχισε.

Δούλευα σε ένα πείραμα στο Fermilab, στο Ιλινόις, ως μεταπτυχιακός φοιτητής στην Κολούμπια. Ήθελα μια δικαιολογία για να μπαίνω στην πόλη του Σικάγο μερικές φορές την εβδομάδα, οπότε γράφτηκα για κοσμολογία με τον David Schramm. Ο Σραμ ήταν γίγαντας, και εννοώ σωματικά γίγαντας. Ήταν παλαιστής — ήταν φιναλίστ στις ολυμπιακές δοκιμασίες στην ελληνορωμαϊκή πάλη. Τον λέγαμε Σράμπο. Αλλά ήταν επίσης ένας γίγαντας στον τομέα της αστροφυσικής των σωματιδίων. ήταν ένας από τους ανθρώπους που άνοιξαν πραγματικά αυτόν τον τομέα. Ήμουν λοιπόν αρκετά τυχερός που τον γνώρισα σε αυτή τη συγκυρία της ζωής μου. Ήταν μια απόλυτη έμπνευση. Και νιώθω ότι έμαθα από τον δάσκαλο. Οπότε με έβαλε να κοιτάζω τα νετρίνα ως υποψήφιες για τη σκοτεινή ύλη, κάτι που εκείνη την εποχή φαινόταν ακόμα σαν μια πιθανότητα. Αλλά τα νετρίνα δεν λειτούργησαν.

Έτσι, αρχίσατε να μελετάτε εξωτικά σωματίδια που ονομάζονται WIMP. Τι είναι αυτά;

Τα WIMP είναι ασθενώς αλληλεπιδρώντα τεράστια σωματίδια και υπάρχουν πολλά στο όνομα. Το «μαζικό» μέρος σημαίνει ότι ζυγίζουν οπουδήποτε μεταξύ της ίδιας μάζας με ένα πρωτόνιο ή χίλιες φορές περισσότερο. Και οι αλληλεπιδράσεις τους είναι πραγματικά αδύναμες, κάτι που κάνει αυτά τα σωματίδια δύσκολο να ανιχνευθούν. Αλλά ο λόγος που πιστεύουμε ότι αυτός είναι ένας τόσο συναρπαστικός υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη είναι ότι αν υποθέσετε αυτό το ένα πράγμα, αυτές τις αδύναμες αλληλεπιδράσεις, μπορείτε να εξηγήσετε την ποσότητα της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν. Αυτά τα σωματίδια είναι η δική τους αντιύλη, οπότε όποτε συναντούν το ένα το άλλο, εκμηδενίζονται, δηλαδή μετατρέπονται σε κάτι άλλο. Έτσι, όταν τα WIMP εξαφανιστούν, μετατρέπονται σε φωτόνια ή άλλα σωματίδια. Στο πρώιμο σύμπαν μπορούμε να υπολογίσουμε πόσοι ήταν, και πώς κατάφεραν αυτόν τον αφανισμό μεταξύ τους, και μετά μπορούμε να ρωτήσουμε πόσοι έχουν απομείνει σήμερα, και θα έχετε την κατάλληλη αφθονία σήμερα για να εξηγήσετε τη σκοτεινή ύλη. Οι κοσμολόγοι το αποκαλούν αυτό το θαύμα WIMP, καθώς πιστεύουν ότι αυτό είναι αρκετά συναρπαστικό. Δεν χρειάζεται να προσθέσετε πολλά νέα φυσική για να εξηγήσετε τη σκοτεινή ύλη που βλέπουμε.

Τώρα, ο άλλος λόγος που αρέσουν στους ανθρώπους τα WIMP είναι ότι υπάρχουν ήδη σε διάφορες θεωρίες σωματιδίων που προτάθηκαν για λόγους που δεν έχουν καμία σχέση με τη σκοτεινή ύλη. Η υπερσυμμετρία είναι μια επέκταση του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής που προτάθηκε για την επίλυση άλλων προβλημάτων στη σωματιδιακή φυσική και αυτόματα, στις απλούστερες παραλλαγές της υπερσυμμετρίας, θα έχετε μια υποψήφια σκοτεινή ύλη που είναι WIMP. Οπότε είναι πολύ ωραίο.

Λοιπόν, πώς θα αξιολογούσατε την κατάσταση της αναζήτησης για τη σκοτεινή ύλη σήμερα;

Υπάρχουν τόνοι πειραμάτων σε εξέλιξη που βλέπουν κάποιο ανεξήγητο σήμα. Ωστόσο, όλοι φαίνεται να διαφωνούν μεταξύ τους. Δεν μπορεί να έχουν όλοι δίκιο. Και το ερώτημα είναι ποιο από αυτά έχει δίκιο; Το πρώτο πείραμα για την εύρεση ενός ενδιαφέροντος ανώμαλου σήματος ήταν το πείραμα DAMA («Σκοτεινή Ύλη»), κάτω από τα Απέννινα βουνά κοντά στη Ρώμη. Το σήμα του βασίζεται στη δουλειά μου με τους Andrzej Drukier και David Spergel. Επισημάναμε ότι επειδή η Γη κινείται γύρω από τον ήλιο, κάθε σήμα της σκοτεινής ύλης που βλέπετε θα πρέπει να ανεβοκατεβαίνει με την εποχή του χρόνου, κορυφώνοντας τον Ιούνιο, με ελάχιστο τον Δεκέμβριο. Και αυτό βλέπουν οι ερευνητές του DAMA. Έχουν δεδομένα αξίας 13 ετών και το σήμα σίγουρα ανεβαίνει και κατεβαίνει ανάλογα με την εποχή του χρόνου, ακριβώς όπως θα έπρεπε, εάν πρόκειται για σήμα σκοτεινής ύλης. Ωστόσο, μερικές επιφυλάξεις:Η μία είναι ότι δεν θα αφήσουν κανέναν άλλο να κοιτάξει τα δεδομένα τους, κάτι που προκαλεί υποψίες. Και το άλλο είναι ότι ο DAMA φαίνεται να διαφωνεί με άλλα πειράματα. Μερικοί άνθρωποι θα έλεγαν ότι αποκλείεται από άλλα πειράματα.

Τι γίνεται με στοιχεία για σωματίδια σκοτεινής ύλης από παρατηρήσεις στο διάστημα;

Τα πιο πρόσφατα στοιχεία προέρχονται από τον δορυφόρο Fermi, ο οποίος κοιτάζει τον ουρανό των ακτίνων γάμμα. Οι ακτίνες γάμμα είναι φωτόνια υψηλής ενέργειας που θα μπορούσαν να είναι τα τελικά προϊόντα του αφανισμού του WIMP. Έχουν παρατηρηθεί πιθανά σήματα που κοιτάζουν προς το κέντρο του γαλαξία — γιγάντιες φυσαλίδες υπερβολικής ακτινοβολίας γάμμα. Έχετε αυτές τις δύο γιγάντιες, γιγάντιες φυσαλίδες πάνω και κάτω από το γαλαξιακό επίπεδο. Και μέρος αυτού θα μπορούσε να είναι από την εξόντωση της σκοτεινής ύλης. Αρκετοί συγγραφείς μελετούν την ιδέα ότι αυτό θα μπορούσε να είναι ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης που ζυγίζει 30 φορές περισσότερο από ένα πρωτόνιο. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά άλλα πράγματα που συμβαίνουν στο κέντρο του γαλαξία, με ανταγωνιστικά, πιο συνηθισμένα αστροφυσικά σήματα, επομένως πρέπει πάντα να είστε πολύ προσεκτικοί πριν διεκδικήσετε οτιδήποτε. Τέλος πάντων, αυτό είναι το πιο πρόσφατο αγαπημένο.

Μπορείτε επίσης να αναζητήσετε WIMP σε επιταχυντές. Αλλά επιταχυντές όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων έχουν ψάξει για υπερσυμμετρικά σωματίδια χωρίς να τα βρουν.

Φυσικά, ο LHC ψάχνει για υπερσυμμετρία και δεν την έχει βρει, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι δεν θα το κάνει. Πρόκειται να ανάψει με διπλάσια ενέργεια από αυτή που είχε όταν έκλεισε, οπότε ελπίζουμε ότι κάτι υπάρχει εκεί.

Ας μιλήσουμε για τη σκοτεινή ενέργεια. Είναι αυτό το τεράστιο μυστήριο. Μου κάνει εντύπωση ότι η κοσμολογική αστροφυσική κοινότητα είναι μπερδεμένη από αυτό.

Ναι. Ω! ναι. Η σκοτεινή ενέργεια σε αυτό το σημείο δεν είναι τίποτα άλλο από μια ετικέτα. Δεν το καταλαβαίνουμε. Και ένα πράγμα που τονίζω πάντα είναι ότι η κανονική ύλη και ενέργεια σχετίζονται. Μπορούν να μετατραπούν το ένα στο άλλο. Η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια δεν έχουν τέτοιου είδους σχέση. Το μόνο που μοιράζονται είναι ότι είναι σκοτεινά. Δεν λάμπουν και δεν ξέρουμε τι είναι. Μπορεί να έχουν κάποια σχέση, αλλά μπορεί και όχι. Υπάρχουν θεωρητικές δυνατότητες που οι άνθρωποι διερευνούν, προσπαθώντας να βρουν εξηγήσεις για τη σκοτεινή ενέργεια, αλλά στην πραγματικότητα δεν ξέρουμε τι συμβαίνει. Η εξήγηση της βανίλιας, η αγαπημένη των περισσότερων ανθρώπων, είναι ότι είναι κάποιο είδος ενέργειας κενού, δηλαδή αυτό που είναι γνωστό ως η κοσμολογική σταθερά. Ακριβώς εδώ σε αυτό το δωμάτιο έχετε σωματίδια και αντισωματίδια που ξεπροβάλλουν μέσα και έξω - αυτό είναι γεγονός, είναι μετρημένο, είναι αλήθεια. Εάν συνδέσετε ένα ελατήριο σε κάθε σωματίδιο στο σύμπαν και προσθέσετε όλη την ενέργεια από αυτό, αυτή είναι αυτή η ενέργεια κενού. Αλλά όταν το κάνετε αυτό, λαμβάνετε έναν αριθμό που είναι πολύ υψηλός [σε σύγκριση με αυτό που παρατηρείται] κατά 10 έως την 120η δύναμη.

Η θεωρία προβλέπει πολύ περισσότερη ενέργεια κενού από την ποσότητα που παρατηρείται στην πραγματικότητα. Δεν θα εξηγηθεί αυτή η τεράστια διαφορά αν υπάρχουν πολλά σύμπαντα, ένα πολυσύμπαν, και το καθένα έχει διαφορετική πυκνότητα ενέργειας κενού; Τότε ο λόγος που έχουμε ένα μικρό ποσό στη δική μας είναι επειδή μόνο έτσι θα μπορούσαμε να υπάρχουμε σε αυτό.

Δεν μου αρέσει αυτή η ιδέα. Σε πολλούς αρέσει λόγω της θεωρίας χορδών. Αρχικά οι άνθρωποι πίστευαν ότι η θεωρία χορδών θα έδινε μια μοναδική λύση στις εξισώσεις κενού-ενέργειας. Αλλά αποδεικνύεται ότι στη θεωρία χορδών υπάρχουν ίσως 10 έως 500 διαφορετικές καταστάσεις κενού. Έτσι, η ιδέα είναι ότι είναι όλα εκεί έξω, αλλά πρέπει να ζούμε σε ένα με μια τιμή της κοσμολογικής σταθεράς κοντά σε αυτήν που έχουμε. Αλλά δεν μου αρέσουν τα ανθρωπιστικά επιχειρήματα. Βασίζονται στο γεγονός ότι η ανθρώπινη ζωή μπορεί να υπάρξει μόνο υπό ορισμένες συνθήκες, έτσι ώστε από τα πολλά σύμπαντα εκεί έξω δεν αποτελεί έκπληξη που ζούμε σε αυτό που υποστηρίζει τον τύπο της ζωής μας. Δεν είναι αρκετά καλή εξήγηση για μένα. Νιώθω ότι υπάρχουν προβλήματα φυσικής στα οποία πρέπει να απαντήσουμε, και μπορούμε να τα απαντήσουμε σε αυτό το σύμπαν, σε αυτό το κομμάτι του σύμπαντος που ζούμε. Νομίζω ότι είναι δουλειά μας να προσπαθήσουμε να το κάνουμε αυτό και δεν είναι αρκετά καλό για μένα να εγκαταλείψτε το και πείτε, καλά, πρέπει να έχει αυτή την αξία γιατί αλλιώς δεν θα μπορούσαμε να υπάρχουμε. Νομίζω ότι μπορούμε να κάνουμε καλύτερα από αυτό. Ξέρω, είμαι ντεμοντέ.

Δεν είναι μέρος της ερώτησης εάν υπάρχει πολυσύμπαν ή όχι; Εάν είχατε πραγματικά ισχυρές αποδείξεις ότι υπάρχει ένα πολυσύμπαν, τότε η ανθρωπική εξήγηση αποκτά καλύτερα κίνητρα. Ο πληθωρισμός, η ταχεία έκρηξη επέκτασης αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, υποτίθεται ότι μπορεί να δημιουργήσει ένα πολυσύμπαν μέσω του «αιώνιου πληθωρισμού».

Πιστεύω στον πληθωρισμό, οπότε μπορεί ο πληθωρισμός να σας δώσει ένα πολυσύμπαν ή όχι; Γιατί αν μπορεί, τότε αναγκάζομαι να εξετάσω αυτήν την πιθανότητα. Πρόσφατα έγραψα μια εργασία με τον Will Kinney σχετικά με αυτό. Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι αυτό που παρατηρούμε στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων δεν προκαλεί αιώνιο πληθωρισμό. Λοιπόν, πώς ξέρετε ότι συνέβη ποτέ;

Τα πρόσφατα αποτελέσματα για το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων από το πείραμα BICEP2 σχετίζονται με αυτό το ζήτημα;

Αν λάβετε κυριολεκτικά τα δεδομένα του ΔΙΣΚΕΠ, κάτι που δεν λέω ότι πρέπει, δεν έχετε ποτέ αιώνιο πληθωρισμό. Επομένως, δεν χρειάζεται να έχετε αιώνιο πληθωρισμό, αν με ρωτάτε. Χάρηκα πολύ γι' αυτό.

Πες μου για ένα από τα πιο πρόσφατα ενδιαφέροντά σου, τα σκοτεινά αστέρια.

Εάν η σκοτεινή ύλη αποτελείται από WIMP, τότε τα πρώτα αστέρια που σχηματίστηκαν θα τροφοδοτούνταν από σκοτεινή ύλη αντί από σύντηξη. Αυτά τα αστέρια σχηματίστηκαν όταν το σύμπαν ήταν 200 εκατομμυρίων ετών. Σε εκείνο το σημείο δεν έχετε ακόμη γαλαξίες, αλλά έχετε μικρότερα κομμάτια δομής που έχουν μέγεθος περίπου ένα εκατομμύριο ηλιακές μάζες. Η ιδέα για το πώς σχηματίζονται τα αστέρια είναι ότι στη μέση αυτών των σβώλων έχετε ένα νέφος υδρογόνου και ηλίου που καταρρέει. Στην τυπική εικόνα του σχηματισμού άστρων, αυτό το πράγμα θα κατέρρεε μέχρι να γίνει πολύ μικροσκοπικό και στη συνέχεια θα ξεκινούσε η σύντηξη.

Μελέτησα αυτά τα φαινόμενα με τον Paolo Gondolo και τον Doug Spolyar. Υπάρχει πολλή σκοτεινή ύλη γύρω από το σημείο όπου σχηματίζονται αυτά τα πράγματα, οπότε ρωτήσαμε τι ρόλο παίζει αυτή η σκοτεινή ύλη. Και αυτό που βρήκαμε είναι ότι τα προϊόντα του αφανισμού της σκοτεινής ύλης, τα φωτόνια, τα ηλεκτρόνια, τα ποζιτρόνια, θα μπορούσαν να κολλήσουν μέσα σε αυτό το νέφος που καταρρέει και να το θερμάνουν. Είναι λοιπόν δύναμη εκμηδένισης, θέρμανση εκμηδένισης, θέρμανση σκοτεινής ύλης.

Αυτά τα πράγματα θα ήταν πολύ διάχυτα, φουσκωμένα. Οι ακτίνες τους είναι περίπου τόσο μεγάλες όσο η απόσταση μεταξύ της Γης και του Ήλιου, ή ακόμα και 10 φορές μεγαλύτερη. Οι θερμοκρασίες της επιφάνειάς τους είναι πολύ κρύες. Η δύναμη της σκοτεινής ύλης κατανέμεται ομοιόμορφα σε ολόκληρο το αστέρι — σε αντίθεση με τη σύντηξη, η πηγή ενέργειας δεν συγκεντρώνεται στο κέντρο. Αλλά είναι ένα πραγματικό αστέρι. Αφού είχαμε την ιδέα ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να παίξει κάποιο ρόλο εδώ, συνειδητοποιήσαμε ότι ίσως ο όρος "σκοτεινά αστέρια" σας δίνει τη λάθος ιδέα, επειδή είναι πραγματικά, πραγματικά, πολύ μεγάλα και φωτεινά. Ξεκινούν με μια μάζα ίσως παρόμοια με αυτή του ήλιου, αλλά μπορούν να συνεχίσουν να προσθέτουν όλο και περισσότερη ύλη μέχρι να αποκτήσουν 10 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη μάζα από τον ήλιο. Δεν θα γίνουν όλοι τόσο μεγάλοι, αλλά κάποιοι θα μπορούσαν, και θα ήταν 10 δισεκατομμύρια φορές πιο φωτεινοί από τον ήλιο. Αυτά τα πράγματα θα ήταν ορατά στο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, την επερχόμενη συνέχεια του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble, που θα εκτοξευθεί το 2018. Επομένως, για μένα, αυτό είναι το επόμενο όριο μου.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com.