Тъмната енергия запълва цялата Вселена

Награда „Питагор“ за утвърден учен в областта на природните и инженерните науки тази година получи чл.-кор. проф. д.фз.н. Стойчо Язаджиев от Катедрата по теоретична физика на Физическия факултет на СУ „Св. Климент Охридски“ и Института по математика и информатика на БАН. Ученият работи в областта на теоретичната и математическата физика. Специалист е по уравненията на Айнщайн и техните обобщения, както и приложенията им в астрофизиката и космологията (черни дупки, неутронни звезди, гравитационни вълни, тъмна материя и тъмна енергия). Основните научни резултати на проф. Язаджиев в периода 2018 – 2023 г., са свързани със създаване на ново направление в теорията на черните дупки.

Научнитe изследвания на проф. Язаджиев са свързани с Общата теория на относителността, която изучава структурата, свойствата и динамиката на самото пространство-време. Теорията се базира на система от изключително сложни уравнения, които днес носят името на Айнщайн. Изучаването на структурата на пространство-времето, неговите свойства и динамика, е свързано с изучаването на тази система уравнения и е чисто математически проблем.

„Научните ми изследвания са в следните главни направления – изучаване на математическата структура на уравненията на Айнщайн и приложението им и евентуално техни обобщения за обясняване на астрофизични феномени, които се случват в Космоса – казва проф. Язаджиев. – Математическата част на моите изследвания е свързана с квалификация на регулярните решения на уравненията на Айнщайн, които описват черни дупки и други компактни обекти. Приложенията в астрофизиката са свързани съответно с черните дупки и неутронните звезди, техните свойства, динамика и излъчването на гравитационни вълни.“
Друга голяма част от неговите изследвания е свързана с т.нар. изчислителна астрофизика, т.е. компютърни симулации на физически явления – например изследване излъчването на гравитационни вълни при сблъсък на черни дупки и неутронни звезди в Общата теория на относителността и нейните разширения.
Това са трите основни направления в работата на учения.

В последно време той включва и методи от изкуствения интелект като machine learning при изучаването на гравитационните вълни, компактните обекти, като черни дупки, неутронни звезди и други.
„Новото направление в теорията на черните дупки е свързано с обобщение на уравненията на Айнщайн – обяснява проф. Язаджиев. – Както знаем, в момента Вселената се доминира от две тъмни компоненти – тъмната материя и тъмната енергия. Те могат изключително добре и ефективно да бъдат описани със скаларни полета. Те в много случаи взаимодействат със самата кривина на пространство-времето. При това взаимодействие на скаларните полета с кривината на пространство-времето може да наблюдаваме фазови преходи на черни дупки. При тези фазови преходи черните дупки преминават от състояние без скаларно поле към състояние със скаларно поле. Тези фазови преходи на черните дупки са свързани и с излъчване на гравитационни вълни. По-специално с гравитационни вълни, които по принцип липсват в Общата теория на относителността, ако няма скаларно поле. А когато има такова, се наблюдава нов тип гравитационни вълни, или казано по-строго научно – нов тип поляризация на гравитационните вълни. Това са т.нар. breathing modes – дихателни моди.“

Скаларното поле е като всички останали полета, обяснява ученият. То е от възможно най-простия тип полета, които могат да съществуват във физиката. Това, което е интересно за него извън математическите му свойства, е, че е много вероятно тъмната материя и тъмната енергия – т.е. тъмните компоненти във Вселената, да могат да бъдат обяснени от скаларни полета. Това привлича вниманието на учените върху скаларните полета, както и към техните астрофизични проявления.

Тъмната материя и тъмната енергия не се наблюдават директно. Проявяват се единствено чрез гравитационните си ефекти. Поне засега те могат да бъдат изследвани единствено гравитационно.
А в какво се състои едно гравитационно проявление на тъмната материя?

„Представете си звезди, които обикалят центъра на нашата галактика – казва проф. Язаджиев. – Ако няма тъмна материя, тяхната кръгова скорост ще намалява с разстоянието до центъра на галактиката. Ако има тъмна материя, скоростта не намалява с разстоянието, а точно обратното – или остава константа, или леко се увеличава благодарение на допълнителния гравитационнен потенциал, породен от тъмната материя. Това е възможно най-простият пример за гравитационно проявление на тъмната материя в галактически мащаби.“

Съмнения за наличието на тъмна материя има още през 30-те години на миналия век, но първите по-категорични доказателства идват през 60-те – 70-те години, уточнява ученият. Доказателството за съществуването на тъмна енергия се появява в самия край на миналия век. Тогава при наблюдение на свръхнови е установено, че Вселената не се забавя при своето разширяване, а се ускорява. И това ускорение се дължи на присъствието на нов вид материя, наречена тъмна енергия. Разликата между тъмната енергия и тъмната материя е, че тъмната материя е концентрирана в галактиките, докато тъмната енергия се проявява в космологични мащаби. Запълва цялата Вселена хомогенно и влияе върху нейната динамика, върху нейното разширяване.

Засега природата и на двете тъмни компоненти остава пълна загадка. Те общо са около 95% от цялото материално съдържание на Вселената. Останалата, светлата материя е само 5%.
С други думи, 95% от материята във Вселената са пълна загадка за науката, което е един от големите проблеми на фундаменталната физика. А може би и най-големият. С него се занимава огромен дял от съвременната физика, за който се дават милиарди.

„Наскоро беше изстрелян космическият телескоп „Евклид“, който трябва да изучава точно тъмната страна на Вселената – казва проф. Язаджиев. – Проектът е на стойност 1,4 млрд. евро. В момента се подготвят и два нови наземни гравитационновълнови детектора. Това са телескопът „Айнщайн“ и Cosmic Explorer. „Айнщайн“ ще е базиран в Европа, a Cosmic Explorer – в САЩ. Те ще регистрират гравитационни вълни, но чрез тях може да изследваме също и тъмната материя и тъмната енергия. Например евентуално кондензацията на тъмна материя в компактни обекти като неутронни звезди или около черни дупки. Подготвят се също и космически детектори на гравитационни вълни – най-известният от тях е LISA. Тази научна област се развива изключително бързо и големите икономики като Германия, Франция, Италия, САЩ, Япония осигуряват многомилиардно финансиране на тези проекти с ясното разбиране, че е изключително важно да знаем природата на тъмната материя и тъмната енергия. Днес те са загадка и мистерия за нас, но след време ще ги разгадаем и използваме.“

В момента ученият работи по компактни обекти и гравитационни вълни, образувани при сблъсък на черни дупки и неутронни звезди. Проучва как може да се използват тези вълни за по-нататъшни фундаментални изследвания. Хубавото е, че много често има космически сблъсъци, които генерират гравитационни вълни – очакват се хиляди такива новозасечени събития. И това дава богат материал за научни изследвания.

Величието на гравитационновълновата физика

„Гравитационните вълни носят онази силно желана и безкрайно ценна информация за фундаменталната физика, за законите на природата – казва проф. Язаджиев. – За структурата на самото пространство-време, евентуално за съществуването на нови фундаментални полета като скаларните, които биха могли да обяснят тъмната материя и тъмната енергия. Това е наука на възможно най-високо фундаментално ниво. Гравитационните вълни са онези, които ще ни помогнат да решим много загадки. Те са единственото средство, с което може да изучаваме Вселената извън стандартните електромагнитни наблюдения, извън стандартните телескопи. Това просто е качествено нов прозорец, ново сетиво към природата. При него като носител на информация се използва не електромагнитното поле, а гравитационното – самото пространство-време е носител на информацията. Динамиката на пространство-времето предизвиква появата на гравитационни вълни и тези вълни носят изключително ценна информация за процесите, които са ги породили, а така също и за самата структура на пространство-времето. Това е величието на гравитационновълновата физика. Тя е съвсем млада наука, едва на 8 години.
Първото директно засичане на гравитационни вълни е през 2015 г. от детекторите LIGO в САЩ. Освен тези детектори на гравитационни вълни, в момента оперират още два детектора – Virgo в Италия и KAGRA в Япония. Те са свързани с определени електромагнитни телескопи и когато се засече гравитационновълново събитие – примерно сблъсък на неутронни звезди, електромагнитните телескопи се насочват натам и наблюдават електромагнитното лъчение, породено от сблъсъка. По този начин се събира както информация, пренасяна от гравитационните вълни, така и информация, пренасяна от електромагнитните вълни. С други думи, наблюдаваме действието на т.нар. multi messenger astronomy, на която се възлагат огромни надежди за нови пробиви в дълбините на фундаменталната физика.“