Нещодавно наша команда мала нагоду поспілкуватися з професором Карло Бачігалупі — відомим італійським космологом. Народжений у місті Каррара, Тоскана, у 1968 році, він пройшов шлях від Пізи та Рима до Чикаго й Трієста, співпрацюючи з провідними науковими установами США, Європи та Азії. Нині Карло обіймає посаду професора та координатора програми PhD з астрофізики й космології у Міжнародній школі передових досліджень (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, SISSA) у Трієсті.
Дослідження професора Бачігалупі зосереджені на фізичній космології та ранньому Всесвіті — зокрема, на вивченні космічного мікрохвильового фону (Cosmic Microwave Background, CMB), великомасштабної структури Всесвіту (large-scale structure, LSS) та гравітаційних хвиль (gravitational waves, GW) — давніх сигналів, що досі відлунюють із моменту народження космосу. Він брав участь у місії супутника Planck, одній із найважливіших міжнародних співпраць сучасної космології, а нині відіграє ключову роль у глобальних проєктах, таких як Euclid, Simons Observatory та LiteBIRD, покликаних спостерігати та розшифровувати найперші промені світла Всесвіту.
Досліджуючи найдавніші відлуння Всесвіту
«Сьогодні космологія — це наука високої точності. Вона дає нам змогу вивчати процеси фундаментальної фізики, які неможливо відтворити в лабораторіях на Землі. У ці роки ми спостерігаємо космічний мікрохвильовий фон (CMB) і великомасштабну структуру Всесвіту (LSS)», — зазначає професор.
Він пояснює: «CMB — це реліктове світло від Великого вибуху. Ми досліджуємо його за допомогою потужних інструментів спостереження, зокрема супутників COsmic Background Explorer (COBE), Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) і Planck. Проте одна складова картини CMB досі відсутня — дуже слабкий і невловний сигнал, який ще належить спостерігати. Він може містити відбиток первинних гравітаційних хвиль — слідів загадкових сил у ранньому Всесвіті, коли простір-час розширювався майже експоненціально в процесі, який ми називаємо інфляцією, під впливом невідомого джерела вакуумної енергії. Щоб досягти цієї мети, науковці поєднують наземні обсерваторії, такі як Simons Observatory, з майбутніми космічними місіями, зокрема LiteBIRD».
«Тим часом, вивчаючи великомасштабну структуру Всесвіту, ми можемо досліджувати дві інші великі загадки сучасної фізики — природу темної матерії та темної енергії. Вважається, що темна матерія складається з невідомих частинок, які обертаються навколо галактик, не випромінюючи звичайного світла. Темна енергія, можливо, ще загадковіша — це нова сила невідомого походження, яка, схоже, спричиняє прискорене розширення Всесвіту. Щоб розкрити ці таємниці, вкрай важливими є спостереження за допомогою таких інструментів, як Euclid, James Webb Space Telescope (JWST) та наземних телескопів».
Коли ми запитали професора Бачігалупі, чому так важливо вивчати ранній Всесвіт і космічний мікрохвильовий фон (CMB), він не вагався ні секунди та відповів: «Ранній Всесвіт — це наша природна лабораторія для найекстремальнішої фізики, яку ми не можемо відтворити на Землі. CMB зберігає крихітні квантові коливання, розтягнуті в перші миті після Великого вибуху. З цього “доісторичного світла” ми можемо дізнатися, як були розподілені матерія та випромінювання, як формувалися космічні структури та які фізичні закони керували тими епохами». Завдяки цій «карті нашого походження» науковці можуть вимірювати вік, геометрію та склад Всесвіту, а також перевіряти теорії про інфляцію, нейтрино та темну матерію. «Це водночас і запис нашого минулого, і точний еталон для всіх інших космологічних спостережень, які ми здійснюємо сьогодні», — додає він.
Коли Всесвіт заспівав
Також ми запитали професора, яке відкриття здивувало його найбільше, він усміхнено відповів: «“Акустичні” піки в анізотропіях CMB. Я знаю теорію, що стоїть за цим явищем. Але коли з’явилися реальні дані — спершу з аеростатних експериментів, потім із супутників WMAP і особливо Planck — точність, з якою ці крихітні коливання первинної плазми проявилися на небі, просто захоплювала подих. Побачити, як теорія перетворюється на спостережуваний візерунок піків і западин, кожен з яких несе інформацію про склад і геометрію Всесвіту, це було ніби почути, як космос грає власну мелодію. Найбільше мене здивувало не саме існування цих піків — ми їх очікували, — а те, наскільки чисто й узгоджено з теорією природа їх проявила. Це був момент, коли космологія перейшла від спекуляцій до точної науки: ми раптом змогли виміряти вік Всесвіту, густину баріонів і темної матерії, а також перевіряти фізику нейтрино — усе це, виходячи лише з брижі, застиглої в космічному мікрохвильовому фоні».
Десятиліття попереду: зазираючи глибше у космос
Дивлячись у майбутнє космології, професор Бачігалупі передбачає те, що він називає «десятиліттям точності й глибини».
«Ми поєднаємо надточні вимірювання космічного мікрохвильового фону з масштабними оглядами галактик і слабкого гравітаційного лінзування, щоб дослідити гравітацію упродовж космічного часу, зменшити систематичні похибки й перевірити Стандартну модель космології під справжнім тиском, — пояснює науковець. — З практичного боку, ми побачимо розумніші інструменти й системи обробки даних — фільтрацію на борту, швидші алгоритми, відкриті практики обміну даними — завдяки чому результати з’являтимуться швидше та будуть легшими для використання. З наукової точки зору, ми очікуємо точніших обмежень на фізику нейтрино, зростання космічних структур і початкові умови Всесвіту. Якщо природа приховує невеликі відхилення від нашої поточної моделі, саме в цей період вони, найімовірніше, проявляться».
ШІ та нові горизонти космології
У добу, коли штучний інтелект змінює кожну галузь науки, космологія не є винятком. Відповідаючи на запитання про роль обчислювальних методів і машинного навчання, професор Бачігалупі називає їх «центральними інструментами». «Ми використовуємо машинне навчання, щоб виявляти слабкі сигнали, очищати дані від систематичних похибок і пришвидшувати моделювання за допомогою емуляторів; поєднуємо його з байєсівськими методами (математичний спосіб оновлювати наші знання, коли з’являються нові дані), щоб ефективніше досліджувати величезні простори параметрів. Але ми сприймаємо машинне навчання (Machine Learning, ML) як невід’ємну частину процесу вимірювань, тому наполягаємо на інтерпретованості, узгодженні з теорією, оцінці невизначеності та повній відтворюваності. Мета не в тому, щоб замінити фізику, а щоб бачити її чіткіше. І це — лише початок, лише верхівка айсберга. З появою штучного інтелекту ми можемо створювати цифрових агентів, які співпрацюють із нами, виконують завдання й суттєво розширюють наші можливості пізнання», — пояснює науковець.
Ми також запитали, чи можуть ці технологічні досягнення зрештою привести до відхилень від Стандартної моделі космології. Професор Бачігалупі замислився, а потім відповів: «Ми вже виявили явища, що виходять за межі нашого розуміння: інфляція, темна матерія, темна енергія… Ми можемо їх описувати, задавати параметри, але не знаємо, чим вони є насправді. Саме з малих відхилень, поза нашими параметризаціями, може з’явитися шанс відкрити двері до справжнього знання. Якщо відхилення існують, вони, ймовірно, незначні. Поточні дані вже показують певні напруження — можливо, це ранні натяки, а можливо, вони зникнуть із покращенням систематики. Проте майбутні огляди та спостереження CMB випробують стандартну модель ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter, ΛCDM) на новому рівні: навіть невелике, але статистично підтверджене відхилення — наприклад, у темпах росту структур, слідах реліктового випромінювання чи властивостях нейтрино — стане проривом. Мій погляд оптимістичний, але стриманий: ми уважно шукаємо «тріщини» в теорії, адже будь-який результат є цінним, чи то точніше підтвердження ΛCDM, чи відкриття нової глави у фундаментальній фізиці».
Друковані журнали, події та спілкування у колі космічних ентузіастів
Наука без кордонів: стійкість України та глобальні зв’язки
Для професора Бачігалупі приїзд до України це справжня позиція: «Це означає бути поруч зі спільнотою, яка відмовляється дозволити темряві визначати своє майбутнє. Викладати тут — не рутина; це твердження, що наука, гідність і освіта варті захисту навіть під час насильницької агресії. Я приїжджаю, щоб ділитися методами й результатами, але також — щоб слухати: ваші запитання, ваші ідеї, вашу мужність». Під час перебування в Україні він спілкувався з багатьма студентами та науковцями, відзначаючи їхню глибоку обізнаність у сучасній астрофізиці та розуміння міжнародних проєктів, таких як Euclid, LiteBIRD і Simons Observatory. «Найбільше мене вразила їхня здатність поєднувати локальні дослідження з глобальним науковим контекстом, — пригадує професор. — Кілька студентів уже звернулися до мене з реальними пропозиціями співпраці, починаючи від чисельного моделювання, закінчуючи аналізом даних і розробкою приладів. Саме такий дух нам потрібний: поєднання допитливості з ініціативністю».
Він закликає їх довіряти власній цікавості, слідувати за мріями та шукати зв’язки: «Наука дарує творчість, відкриття та миті краси, які жодна війна не зможе знищити. Навіть невеликі співпраці можуть перерости у довічне партнерство, побудувавши вашу кар’єру та спільноту знань, що виходить за межі кордонів».
На завершення ми поставили професору Бачігалупі трохи незвичне запитання: «Якби ви могли бути будь-яким космічним об’єктом чи явищем, ким би ви стали?» Він зробив коротку паузу, а потім дав відповідь, яка якнайкраще пасує людині, що присвятила життя дослідженню Всесвіту: «Я б, безперечно, став позаземним інтелектом, щоб зрозуміти, як це, дивитися на Всесвіт не з людської точки зору».
