Кристофер Хирата: Точные инструменты космоса

В 1996 году тринадцатилетний мальчик пришел на Международную физическую олимпиаду (International Physics Olympiad) — соревнование, призванное выявить сильнейших будущих физиков планеты, большинству из которых было семнадцать или восемнадцать лет, — и завоевал золотую медаль. Затем Кристофер Хирата (Christopher Hirata) сделал более сложную вещь, ту, с которой вундеркинды обычно не справляются: он вырос в состоявшегося ученого, чей вклад в космологию цитируется по существу, без упоминания того, насколько он был юн когда-то.

Тринадцать лет

Хирата родился 30 ноября 1982 года, он американец японского происхождения. Его рано определили как вундеркинда в физике, и золотая олимпийская медаль 1996 года стала тому неоспоримым доказательством. Это соревнование — не викторина; оно включает в себя многочасовые теоретические задачи и экспериментальные задания, требующие владения механикой, электромагнетизмом, термодинамикой и квантовой теорией. Участие тринадцатилетнего подростка — это уже необычно. А завоевание им золотой медали — это совершенно особый факт.

Калифорнийский технологический институт в восемнадцать, Принстон в двадцать три

Он получил степень бакалавра физики в Калтехе (Caltech) в 2001 году в возрасте восемнадцати лет со средним баллом 4.2.

Затем он поступил в Принстон (Princeton University) для получения степени доктора астрофизики, которую завершил в 2005 году под руководством Уроша Селяка (Uroš Seljak) с диссертацией под названием Теория слабого гравитационного линзирования и анализ данных. Ему было двадцать три года. Эта тема определила следующие двадцать лет его работы.

Слабое линзирование — одно из самых тонких измерений в наблюдательной науке. Масса искривляет свет, поэтому изображения далеких галактик слегка искажаются всем, через что свет проходил по пути сюда, включая темную материю, которая никак иначе себя не проявляет. Эти искажения ничтожны и скрыты за атмосферным размытием, несовершенствами телескопа и тем фактом, что галактики изначально не являются круглыми. Извлечение космологического сигнала больше похоже не на фотографирование, а на восстановление отпечатка пальца по пятну, и для этого требуется именно тот гибридный навык, которым прославился Хирата: теория, статистика и анализ данных уровня приборов — всё в одной голове.

Что означает прецизионная космология

Хирату называют ведущим представителем прецизионной космологии, и это выражение стоит воспринимать буквально. Большую часть своей истории космология была наукой оценочных суждений. За последние три десятилетия она стала наукой десятичных знаков, в которой состав и история расширения Вселенной определены с точностью до нескольких процентов, и интересные вопросы кроются именно в расхождениях.

Его исследования охватывают механизмы этого проекта: реликтовое излучение (cosmic microwave background), темную энергию и ускорение расширения Вселенной, скопления галактик, рост крупномасштабных структур, эпоху реионизации, когда первые звезды осветили нейтральный туман ранней Вселенной, и применения гравитационного линзирования повсюду. Сквозной темой является вопрос о том, действительно ли космическое ускорение указывает на наличие компонента темной энергии или же общая теория относительности нуждается в модификации на крупнейших масштабах — это самый глубокий открытый вопрос в данной области, на который можно ответить только с помощью измерений, достаточно точных, чтобы различить эти две возможности.

Эффект, который никто не заметил

В 2010 году, работая с Дмитрием Целяховичем (Dmitriy Tseliakhovich), Хирата выявил ранее неизвестный космологический эффект возмущения: изменение скорости барионной материи в эпоху рекомбинации, что, в свою очередь, повлияло на формирование ранней структуры.

Значимость этого открытия неочевидна из описания, поэтому стоит сказать прямо. Рекомбинация — момент, когда Вселенная остыла настолько, что протоны и электроны образовали нейтральные атомы, — является наиболее интенсивно моделируемым моментом в космологии; именно это событие породило микроволновый фон и легло в основу почти каждого расчета ранней Вселенной. Десятилетиями этот момент анализировали лучшие умы этой области. Хирата и Целяхович обнаружили в нем реальный эффект, который упустили все остальные, и это имело значение для того, как росли первые структуры. Найти что-то новое на территории, которую исследовали столь тщательно, — это достижение особого рода: оно означает увидеть допущение, которое другие люди перестали замечать, что они его делают.

Должности и телескоп «Роман»

Он был приглашенным ученым в Институте перспективных исследований (Institute for Advanced Study) с 2005 по 2007 год, в 2006 году стал доцентом в Калтехе и к 2012 году дослужился до профессора, а в 2013 году перешел в Центр космологии и астрочастичной физики (CCAPP) Университета штата Огайо (Ohio State University), где работает до сих пор. Он входит в научную группу космического телескопа Нэнси Грейс Роман (Nancy Grace Roman Space Telescope), широкоугольной обсерватории, предназначенной именно для той обзорной космологии, на которой он специализируется.

Награды следуют за его работой. Он получил Президентскую премию для молодых ученых и инженеров в 2012 году, в 2013 году был назван стипендиатом Фонда Саймонса, в 2014 году получил премию Хелен Б. Уорнер, а в 2018 году — премию «Новые горизонты в физике» (часть премии Breakthrough Prize в области фундаментальной физики) за «фундаментальный вклад в понимание формирования первых галактик во Вселенной, а также за совершенствование и применение мощнейших инструментов прецизионной космологии».

Почему Кристофера называют гением

Хирата принадлежит к той небольшой категории людей, к которым этот эпитет применяется на основании их интеллекта, и которые затем выдерживают испытание карьерой. Анкетные данные вундеркинда бесспорны: золото олимпиады в тринадцать лет, диплом физика Калтеха в восемнадцать лет со средним баллом 4.2, докторская степень Принстона в двадцать три года. Такая скороспелость реальна, но встречается достаточно часто, чтобы быть ненадежным предиктором; большинство выдающихся подростков становятся обычными взрослыми, и интересный вопрос всегда заключается в том, что было дальше.

А дальше было то, что составляет реальное положение дел. Специфическое когнитивное качество — необычайный охват: Хирата работает одновременно как теоретик, статистик и аналитик данных, в то время как в этой области это обычно три разных человека. Узким местом прецизионной космологии являются не идеи, а способность держать в уме всю цепочку — физическую модель, инструментальные систематические ошибки, статистическую оценку, дизайн обзора — и находить, где она дает течь. Результат 2010 года с Целяховичем — это профессор в действии: действительно новый эффект, найденный внутри наиболее изученной эпохи дисциплины.

Честный контраргумент: в обоснованиях премий он описан как человек, совершенствующий и применяющий инструменты, а не как тот, кто основал целое направление, и это верно. Он не перевернул парадигму и не получил результата, связанного с его именем, как Борчердс (Borcherds) или Пенроуз (Penrose). Его работа — коллективная, инкрементальная, какой является вся современная наблюдательная космология, и ее ценность реализуется через крупные командные предприятия, такие как телескоп «Роман», а не через одиночные прорывы. Никто из тех, кого цитируют в публичных источниках, не называет его гением; они называют его ведущим представителем прецизионной космологии. Это более скромное слово, и в его случае — более полезное.

Наследие

Карьера Хираты — это ответ на вопрос, который люди задают о вундеркиндах и редко получают возможность увидеть разрешение. Тринадцатилетний мальчик с олимпийской медалью к 2012 году стал профессором в Калтехе, в 2018 году — лауреатом премии Breakthrough Prize и членом команды, создающей прибор, который может решить, существует ли темная энергия. Что бы в итоге ни обнаружил телескоп «Роман» об ускорении Вселенной, это будет частично извлечено с помощью методов, которые он помог разработать.