Rešujemo vprašanja obstoja, rojstva in smrti vesolja

Slovenski kozmolog Uroš Seljak, redni profesor na univerzi Berkeley v Kaliforniji, kjer vodi center za kozmološko fiziko, je letošnji sodobitnik Gruberjeve nagrade za kozmologijo. Podeljevalci so Seljaku, Matiasu Zaldarriagu in Marcu Kamionkowskemu nagrado, vredno pol milijona dolarjev, podelili za prebojne teorije o prasevanju in njegovi polarizaciji, ki razlagajo vesolje tik po velikem poku. Prek zooma smo se z njim pogovarjali o razvijanju teorije in o novem področju delovanja, kjer preizkuša nove statistične metode.

Čestitam za nagrado. Vsekakor zasluženo. Kaj vam pomeni?

Najprej sem bil malo presenečen, ko sem prebral utemeljitev, pa že malo manj, ker so dobro pojasnili, zakaj nam jo podeljujejo. Veliko kolegov, ki so mi čestitali, je komentiralo, da je bilo le vprašanje časa, kdaj bomo to nagrado dobili. Zelo sem bil vesel, to je priznanje za delo, ki je imelo velik vpliv na kozmološko skupnost.

Podeljevalci so prepoznali vrednost teoretskih raziskav, ki predvidevajo obstoj B-polarizacije (angl. B-modes) v prasevanju oziroma v kozmičnem mikrovalovnem sevanju ozadja CMB in gravitacijske valove ozadja. Ce bi bili izmerjeni, bi potrdili teorijo o inflaciji, ki je vodilna teorija o začetku vesolja. Kaj se je torej dogajalo na samem začetku, tik po velikem poku, o čemer govori inflacijska teorija? In kaj manjka, da bi jo sprejeli vsi, nekaj skeptikov namreč še vedno je?

To je teorija o zelo hitrem širjenju vesolja, ko v njem še ni bilo ničesar, razen tega, kar danes imenujemo inflacijsko polje. To je povzročilo, da se je vesolje zelo zelo hitro in pospešeno širilo. Na neki način gre za fenomen, podoben temu, kar opazujemo danes in imenujemo temna energija, ki prav tako vodi v čedalje hitrejše širjenje vesolja. In v prihodnosti se bo to še bolj pospeševalo. Na začetku vesolja pa je bila le ta temna energija oziroma inflacijsko polje. Zanimivo je, da so inflacijsko teorijo vpeljali, da bi razložili, zakaj je vesolje tako homogeno v vse smeri. Neposredna posledica teorije pa je, da se je kvantna fluktuacija (trenutna sprememba količine energije v točki prostora), ki je na neki način na kvantnem nivoju vedno prisotna, pretvorila v začetne perturbacije, ki so kasneje vodile v nastanek galaksij, zvezd, planetov in navsezadnje tudi nas. To pomeni, da lahko razloži ne samo to, za kar je bila na začetku uvedena, ampak vse, kar je v vesolju in zakaj je.

Teorija ima edinstveno napoved, in sicer, da poleg fluktuacij v običajni snovi napoveduje tudi podobne fluktuacije v gravitacijskih valovih. Takšna napoved je obstajala še pred letom 1997, kamor segajo teorije, za katere smo bili nagrajeni. Nobena alternativa tega ne napoveduje. Leta 1997 smo analizirali polarizacijo v prasevanju. Ta ima smer in velikost, ti dve številki se matematično zožita na tipa polarizacije E in B. Najpomembnejše pri naši napovedi je bilo, da klasične fluktuacije prispevajo le v E-polarizacijo, gravitacijski valovi ozadja pa v oba tipa, vendar pri E-polarizaciji običajne fluktuacije prevladujejo. Na B-polarizacijo torej vplivajo le gravitacijski valovi. Če izmerimo B- polarizacijo, smo s tem izmerili gravitacijske valove, in tako smo dokazali teorijo inflacije. To je veriga, iz katere izhaja pomembnost naše teorije. Kar nekaj eksperimentalnih skupin po svetu zdaj skuša izmeriti B-polarizacijo, in če jo bodo, bodo zagotovo dobili tudi Nobelovo nagrado.

Tudi skupina na Berkeleyju išče eksperimentalno potrditev tega.

Da, res, to delajo moji kolegi eksperimentalci. Formalno sem sicer še član njihove skupine, a kaj zelo koristnega zanje ne naredim. (smeh)

Tehnologija napreduje, eksperimenti potekajo, pa vendar je možno, da B-polarizacije ne bo mogoče izmeriti?

Če ne izmerimo gravitacijskih valov, bomo seveda razočarani, ne bomo pa mogli reči, da inflacijska teorija ne velja. Še vedno je dovolj modelov znotraj teorije, ki obveljajo, tudi če ne izmerimo ničesar.

Vrniva se dobri dve desetletji nazaj, torej v čas, ko so nastajali znanstveni članki, ki so bili podlaga za Gruberjevo nagrado. Kako ste pravzaprav začeli razmišljati o tej polarizaciji? Je to izšlo iz kakšnih novih podatkov?

Leta 1991 sem začel doktorski študij na MIT v Cambridgeu v Massachusettsu in takrat sem se še odločal, kaj me pravzaprav zanima. Srečen splet okoliščin je bil, da je leta 1992 satelit COBE (Cosmic Background Explorer ali raziskovalni satelit prasevanja) objavil prvo meritev fluktuacij v prasevanju. Glavna raziskovalca pri projektu George Smoot in John Mather sta leta 2006 za to dobila Nobelovo nagrado za fiziko, saj je šlo za izjemno pomembna odkritja. Svojemu mentorju Edmundu Bertschingerju sem predlagal, da bi proučeval te podatke. Že on je veliko naredil na tem področju, meni pa je dal proste roke. Nekaj let kasneje sva s kolegom Matiasom Zaldarriagom razvila kodo CMBFast, ki jo omenjajo tudi v utemeljitvi Gruberjeve nagrade. Dala sva jo v javno uporabo. Bila sva vodilna na področju izračunavanja teoretične napovedi za kozmično prasevanje. S tem se je začelo tudi razmišljanje o polarizaciji. Vedelo se je, da je prasevanje moralo biti polarizirano, pa tudi, da gre za nizko polarizacijo. Prav zelo se nam z razvijanjem teorije ni mudilo, saj so bili eksperimenti in tehnologija še daleč za nami. A teoretično je bil to zelo zanimiv projekt.



Takrat sem zaplaval še v druge astrofizikalne vode, in sicer sem proučeval gravitacijsko lečenje. To je pojav, ko masivno telo zaradi svojega gravitacijskega polja ukrivlja pot elektromagnetnemu valovanju in svetlobi. Podobno kot lečenje popači sliko galaksije, to počne tudi polarizacija. Pri lečenju prav tako govorimo o smeri in dolžini. Če imamo okroglo galaksijo, pri lečenju vidimo eliptično, nato se vprašamo, kako eliptična je, torej kako dolga je in v katero smer kaže. Podobno lahko opišemo polarizacijo. To sem izkoristil v svojem prvem članku in že tam sem predvidel obstoj dveh tipov polarizacije in to, da v enega prispevajo le gravitacijski valovi. Kolega Matias Zaldarriaga je istočasno začel razvijati nekoliko bolj splošno teorijo in združila sva moči. Vzporedno s tem je druga skupina z Marcom Kamionkowskim na čelu po drugačni poti prišla do enakih ugotovitev.

Je bilo pa hecno, da smo se kar nekaj let lovili okoli imenovanja. Mi smo pojme poimenovali E- in B-polarizacija, oni pa grad in curl. Videti je, da smo zmagali mi, ker se je uveljavilo naše poimenovanje. Vsekakor so bila to zelo zanimiva leta, ko smo razvijali povsem novo teorijo o prasevanju.

Zdaj se z njo ne ukvarjate več.

Zanimivo je, kako teoretična področja obdelaš in potem ni več veliko za početi. In greš naprej na nove zelenice. Treba je imeti tudi nekaj sreče, da si ob pravem času na pravem mestu, da lahko napišeš originalni članek.

V kozmologiji je veliko teorij, nekatere so, druge pa niso dokazljive, vsaj ne še. Kje je meja med kozmologijo kot znanostjo in filozofijo?

O tej temi imava lahko dolgo debato. Moji kolegi se vsekakor ne bi strinjali, da so filozofi, saj se imajo za znanstvenike. Je pa zanimivo vprašanje, ali ima smisel delati znanost, kjer tega, kar napoveš, eksperimentalno ni mogoče meriti. Primer so multiverzumi ali mnogovesolja. Zelo zanimiva teorija, zelo veliko člankov, debat, a po definiciji niso merljiva, ker so zunaj našega vesolja. Je to znanost ali ne? Kolegi, ki se s tem ukvarjajo, zagovarjajo, da je, ker imajo za svoje trditve izračune. Teoretično lahko rečejo, da so meritve možne, če bi eno od vesolj trčilo z našim, potem bi nastali obroči v prasevanju, in to lahko izmerimo. Vsekakor je sivo polje med znanostjo, ki je merljiva, in tisto, ki ni. Najbrž je tudi res, da gredo nekateri kolegi mogoče prek meja znanosti.

Kako osebno gledate na te teorije, ki niso merljive?

Če znanstveniki debatirajo o teh teorijah, je to še vedno znanstveno kredibilno; če ne drugega, se da marsikaj izračunati in stvari ovreči. Druga komponenta je, zakaj o teh teorijah razmišljamo, ali si denimo pri teoriji o multiverzumu enostavno želimo, da bi obstajala druga vesolja, ker vemo, da naše nima dobre prihodnosti. Širi se vse hitreje, kaj natančno se bo dogajalo, ne vemo, ne kaže pa dobro. Ne vemo, kaj bo, ko pridemo v novo inflacijsko dobo. Obstajajo seveda tudi alternative, da je vesolje ciklično. Na teh primerih je očitno, da želimo kozmologi še več, kot lahko potegnemo iz opazovanj, s teorijami bi radi rešili vprašanje obstoja, rojstva in smrti vesolja.

V zadnjem obdobju ste se sicer oddaljili od kozmoloških teorij, zdaj se bolj ukvarjate z analizo podatkov oziroma optimizacijo, da bi razvili novo statistično analizo, s katero bi dobili natančno definirane rezultate. Kako daleč ste?

Gre za presek dveh znanosti – statistike in analize podatkov ter strojnega učenja. Počasi dobivamo prve rezultate. To je popolnoma novo področje tudi zame, počutil sem se kot študent, manj prijetno je seveda bilo, ko so nam zavračali članke. A ravno zdaj sem izvedel, da so moj članek sprejeli na prestižni mednarodni konferenci za strojno učenje (ICML), ki je ena izmed dveh glavnih konferenc na tem področju. Za novince na tem področju je sprejetje članka vsekakor potrdilo, da delamo v pravi smeri.

Ideja je, da s pomočjo strojnega učenja in modernih statističnih metod, ki jih razvijamo, ne le omogočimo boljšo analizo podatkov v kozmologiji, ampak da metode aplicirajo tudi na druga področja. Čisto konkretno: upamo, da bi lahko z našo metodo konkurirali metodi markovska veriga Monte Carlo v Bayesovi statistiki ali jo celo zamenjali. To bi bilo lahko zelo pomembno, saj je naša metoda precej hitrejša. Cilj znanstvene analize podatkov je, da merimo en parameter, a poleg tega je še kup drugih, ki nas ne zanimajo, so pa morda lahko podobni. Kako to ločiti? Stvari so lahko zelo kompleksne, numerično zahtevne in drage, nekateri porabijo mesece superračunalniškega časa za te izračune. Vsekakor delam na tem, da bi problem rešil za nas kozmologe, in upam, da bomo razvili metodo, ki bo hitrejša, boljša, bolj natančna in mogoče uporabna tudi zunaj kozmologije.

S to metodo bi torej lahko posegli še na druga področja v astrofiziki. Tudi v iskanje planetov zunaj našega osončja?

Skušali bomo narediti novo analizo vseh odkritih planetov in upamo, da jih bomo našli nekaj več. Drugi cilj je opisati število planetov v odvisnosti od oddaljenosti od zvezde in velikosti. Želimo namreč najti Zemlji podobne planete, torej tiste, ki ležijo v območju, ugodnem za razvoj življenja, poleg tega morajo biti kamniti in razmeroma majhni. Satelita Kepler in Tess jih s tranzitno metodo težko zaznata. Tretji cilj pa je opisati, zakaj obhodni čas planetov ni vedno enak. Vsekakor gre za neke perturbacije, vzrok zanje so lahko drugi planeti in podobno. Pred leti smo tako odkrili perturbacije dveh planetov. Gre za članek o sistemu Kepler-90, ki sem ga pripravljal s študentoma Yan Liangom in Jakobom Robnikom. Izmerili smo ekscentričnost orbite, oddaljenost od zvezde, maso … Eden izmed planetov ima zelo nizko maso glede na njegovo velikost, gostota planeta je približno sedemkrat manjša od Zemljine. Tak planet imenujemo super puff, saj je kot sladkorna pena.

Boste tako lahko tudi določevali verjetnost, da se je na planetu razvilo življenje?

Pri odgovoru na to vprašanje lahko dodamo majhen košček. Poznamo Drakovo enačbo, ki ima več členov, eden od njih je tudi, kakšna je verjetnost, da je planet takšen kot Zemlja. Trenutno je pri tem številu še vedno zelo velika merska napaka, mi pa ga lahko precej izboljšamo. Naše raziskave lahko vplivajo tudi na prihodnja raziskovanja. Nasa namreč že razmišlja o novih satelitih, ki bodo raziskovali, ali je na planetu življenje. To se lahko dokazuje s spektroskopijo, ki zaznava kemijske elemente, in nekateri so značilni pokazatelji prisotnosti živih bitij. Eden od konceptov satelitov je denimo LUVOIR, za katerega je morda še nekoliko prezgodaj, a če bi mi izračunali, koliko je takšnih planetov, ki bi jih bilo vredno opazovati, bi se lažje odločili. Vsekakor je projekt bolj upravičen, če je takšnih planetov petsto in ne le pet. Naslednje vprašanje pa seveda je, kakšna je verjetnost, da gre za inteligentno življenje. S tem se ukvarjajo kolegi v sosednji pisarni na Berkeleyju, ki sodelujejo pri projektu Breakthrough Listen.
 

Kaj pa menite vi, kakšna je verjetnost?

O tem raje ne razmišljam preveč, ker je več odgovorov v smislu samouničenja civilizacij precej depresivnih. (nasmešek)