Priyamvada Natarajan は、宇宙の目に見えない内容、つまりほとんどすべてをマッピングする取り組みのリーダーです。すべての物質の 95% は、暗黒物質と暗黒エネルギーと呼ばれる神秘的で非発光の形態をとっており、目に見える物質の 5% をそれぞれ引き付けたり反発したりすることで、宇宙におけるそれらの存在を示しています。星やガスが銀河の中心にある巨大なブラック ホールに転落するにつれて、その 5% でさえますます見えなくなりつつあります。
理論天体物理学者でイェール大学の教授でもあるナタラジャンは、暗黒物質がどこに集まっているか、暗黒エネルギーがどのように空間を引き延ばしているかについての地図を作成しています。彼女はまた、これらの超大質量ブラック ホールの成長をモデル化し、初期宇宙におけるブラック ホールの形成に関する有力な理論の開発を支援しました。この理論は、近い将来、望遠鏡による観測によって検証される予定です。
ニューヘブンにある彼女のオフィスでの最近のインタビューで、ナタラジャンは地図に惹かれていると言いました。なぜなら、ある時点で既知のものと未知のものをエンコードするからです。 「あなたが何も知らないこれらの深淵—それも地図に書かれています。彼らはあなたに「未知の世界」と言います」と彼女は言い、バイネッケ希少本と手稿図書館のキャンパス全体で訪れるのが好きな古い地図の J ペグを引っ張り出しました。
彼女は、1990 年代にケンブリッジ大学で学生時代を過ごして以来、現代宇宙論の未知の領域、特に暗黒物質と超大質量ブラック ホールのマッピングとモデリングを行ってきました。これらの分野で先駆的な役割を果たした後、彼女は 20 代後半でイェール大学の教授職に就き、それ以来ずっとそこを拠点としています。彼女はまた、コペンハーゲン大学の教授であり、デリー大学の名誉教授でもあります。王立天文学会、アメリカ物理学会、Explorer's Club のメンバーであり、出版された詩人であるナタラジャンは、母国であるインドからのものを含め、多くのフェローシップと賞を受賞しています。
私たちはイェール大学の彼女のオフィスで、ロスコ、マティス、ルイーズ・ブルジョワなどの抽象芸術の複製に囲まれて 3 時間話しました。私たちの会話を編集して要約したバージョンが続きます。
あなたの 2017 年の本、Mapping the Heavens は、古代から現代までの宇宙をマッピングする探求を物語っています。あなた自身の道は地図から始まったと思います。
はい。私はインドで育ちました。私の両親は学者なので、私は本に囲まれて育ちました。私は科学と数学が好きでした。しかし、歴史、執筆、詩、芸術にも興味がありました。両親は私に大きな違いをもたらす利点を与えてくれました。父は、インドの人々がパーソナル コンピューターとは何かを知る前に、私にコモドール 64 を買ってくれました。両親も私に望遠鏡と顕微鏡をくれました。私は望遠鏡を選びました。私はアマチュア天文クラブに所属していました。15 歳のとき、ネルー プラネタリウムの所長である天体物理学者のニルパマ ラガヴァンが私たちに話しかけてきました。私は彼女にコンピューターを持っていることを伝え、彼女の研究を手伝ってもらえないかと尋ねました。それで彼女は「あなたは何に興味がありますか？」と言いました。私がいつも夢中になっているのは地図です。天体、地上、あらゆる種類の地図。
そこで彼女は、「インドの天文学会が作成した、毎月新聞で見ている天体図をプロットするプログラムを書いてみませんか?」と言いました。それで家に帰りました。これは本当に難しい問題でした。彼女は後で私に、私が戻ってくるとは思わなかったと言いました。私は自分で球面幾何学を学ばなければなりませんでした。私は狂ったように働きました。 6週間後、私はそれを理解しました。私のプログラムはうまくいきました。それで私は彼女に会いに行きました。私が作ったスカイマップを彼女に見せたところ、基本的に彼女はあごを落としました。それから彼女は、「OK、これはとても印象的だけど、勉強のためにボストンに行って、星や惑星を見たいと思ったらどうする？」と言いました。私は言いました。私がプログラムを書いた方法は、地球上のどこでも緯度と経度を入れることができるというものです。」その時点で、彼女は改宗の瞬間を迎えました。彼女は私を信じられないほど支持してくれました。私は彼女のために計算をします。それで、私は初めて研究の味を知りました。
あなたは MIT の奨学金を受けました。何を学びたいか分かりましたか?
私は間違いなく物理学者になりたかった。でもどこのエリアか分からなかった。学部生になるまでに物理学の大学院課程をすべて修了し、数学も専攻しました。その時点で、私は研究を行う準備ができていました。私は初期宇宙の熱力学についてアラン・グースと一緒に研究を始めました。たぶん素粒子物理学だと思っていました。ひも理論をやりたくなかったのは、現実世界とのつながりを作りたかったからです。そこで私は物理学の大学院に出願しましたが、決めかねていたので延期しました。
その後、博士号を取得しました。あなたが物理学と併せて追求したかった科学の哲学において。なぜですか?
最先端の科学に取り組み、科学のプロセスを深く考えるような人になりたいと思っていました。私はインサイダーとアウトサイダーの両方になるつもりでした。これは、個人的、感情的、心理的、科学的、知的など、常に、あらゆる方法で私の人生を悩ませてきたテーマです。アウトサイダーであり、時にはインサイダーのように感じるこの感覚。紛争。
なぜそのように感じると思いますか?
女性であること;茶色であること;物理学に興味がある。この特定の方法で非常に知的であること。そして、私が行った文化的移行のために。私の教授の 1 人である Evelyn Fox Keller は、非常にうまく表現しました。寂しさは感じませんでしたが、孤独を感じました。今でも色んな意味で感じています。自分が所属していないと本当に感じる状況があります。そして、別の機会に同じ設定に再び入ると、私は完全に安心し、自分が属しているように感じました.とても奇妙です。心理的なものだと思います。私はとても若くして家を出ました。そして、つながりたいという本当の必要性がありました.
あなたの部族をどのように説明しますか?
彼らが知的に従事する多くの深刻な興味を持っている人々. 単なるキャリア主義者ではない人々.私のゲーム — 宇宙論、暗黒物質、ブラック ホール — には、私が当てはまらない非常に特殊な競争文化があります。しかし、ありがたいことに、これは時間が行うことです。それに固執すれば、良い仕事ができます。従う必要はありません。あなたは最終的にあなたが誰であるかだけになることができます。自分が学んでいることから自分が何を望んでいるのかを知っていたので、私はいつも非常に明確な精神を持っていると感じていました.数学的に考える人が持つ、ある程度の理解の深さが欲しい.
何を理解したいですか?
私は特定の非常に特殊な種類の抽象化に惹かれます。私たちは皆、何らかの形で引き寄せられるお気に入りのものを持っています。私にとって、それは常にこれらの目に見えない実体でした.ブラックホール、暗黒物質、これらは私たちの知識の限界に近いものです.ブラックホールの端に到達すると、すべての物理学が崩壊します。だから、それは私を誘惑するようなものです。これらは、科学者として私たちを本当に後押しするものです:どうすればそれらをモデル化できるでしょうか?それらについてどのように考えますか？さらにわかっていることとして、モデルを改良するにはどうすればよいでしょうか?それを改善するということは、以前のものが間違っていたということですか？モデルは現実とどのように関連していますか?それが私の哲学 Ph.D.:How do you build knowledge? のテーマになる予定でした。
あなたは博士号を取得した後、哲学を続けないと決めました。ケンブリッジ大学でマーティン・リースと共に天体物理学の博士号を取得。彼に惹かれた理由は何ですか?
彼がしたのはモデルでした。彼はブラック ホール、ガンマ線バースト、銀河のモデルを作成しました。説明が必要なエキサイティングな観察があった場合は、モデルを構築するだけで済みます。ですから、それは私にとって完璧な知的な一致でした.
当時は超大質量ブラックホールの観測データが少しずつ入ってきたばかりで、ブラックホールをどうやって成長させるかなどのストーリーを作っていて、フェンスもあまりありませんでした。観察に基づいたガイダンスが少しありましたが、モデルをもう少しワイルドに実行できます。
ブラック ホールは、現在ほど概念化されていなかった可能性があります。
それらは概念化され、考えられていましたが、その役割はそれほど中心的なものとは見なされていませんでした.今では、それらが実際に銀河を形作っているように見えることがわかっています.それで、彼らは舞台の中心に移動しました.
ブラックホールについてどう思いますか?
それらは間違いなくクレイジーなオブジェクトです。彼らは奇妙です。それらについて考えるには3つの方法があり、選択できます。 1つの方法は、星が燃料を使い果たすと、暴力的な終わりを迎え、死んだ原子炉のように、これらのブラックホールを置き去りにすることです.そのため、ブラック ホールは星の内部のコンパクトな部分であり、重力によって崩壊し、信じられないほど密集しています。アナログはありません。鉛ではありません。それは私たちが考えることができるものではありません。その後、これらの星の残骸が蓄積されます。ガスが入り込みます。ガスは大きくなります。
別の方法は、ブラック ホールからは光でさえ脱出できないという事実について考えることです。地球の重力から逃れなければならないロケットを打ち上げるには、秒速 11.6 キロメートルで発射しなければなりません。これは音速の 33 倍なので、かなり速いです。ここで、ロケットが光の速さ、つまり秒速 30 万キロメートルで発射されたとしても、重力によるグリップが非常に強いため、ロケットはまだ逃げることができないと想像してください。それはブラックホールです。
3 つ目の方法は、時空をシートとして描く場合、ブラック ホールはそのシートのピンチです。空間の形をした異常。
超大質量ブラック ホールが銀河にとって不可欠であることが徐々にわかってきたのですか?
はい。私の論文は、その関係を解決しようとする作業を開始しました。ちょうど観測されたのは、銀河の内部にある星の質量と、それがホストする中心のブラックホールとの間に相関関係があるということでした.これは、銀河とブラックホールの形成が何らかの形で絡み合っていることを示唆しています。私たちは、彼らの成長をどのように結びつけるかについて、初期のフレームワークを開発していました。非常に強力な予測を行うことができる単純なモデルを構築できるので、非常にエキサイティングでした。その後、時間の経過とともに、これらのモデルはより洗練されたものになりました。これは、制約となるデータが増えたためです。
私はそれに取り組み、重力レンズ効果、つまり暗黒物質による光の曲げにも取り組みました。ハッブル望遠鏡は、分析可能なこれらの驚くべきレンズ効果の画像を提供してくれました。暗黒物質の存在は、さまざまな銀河の光に見られる伸縮量から間接的にマッピングできます。したがって、今日の私たちの知識の限界である未知の領域は、ハッブルの地図にあります。私の最初の貢献は、暗黒物質の小さな塊を見つけることを可能にする数学的マッピングを考え出すことでした.私たちが発見したことは、宇宙の暗黒物質の塊は、「冷たい」暗黒物質 — 非相互作用型 — への期待と非常によく一致するということです.
あなたはイェール大学で、そもそも銀河の中心で超大質量ブラック ホールがどのように形成されたのかを研究し始めましたね。最初にパズルとは何かを説明してください。
望遠鏡がどんどん良くなるにつれ、宇宙が現在の年齢の 10% だった頃に、太陽質量 10 億個のブラック ホールに支えられたこれらの明るいクエーサー (光る銀河の中心) を発見し始めました。それは大きな謎でした。最初の星はほぼ同時に形成されたので、太陽の質量のせいぜい 100 倍の星の残骸が、太陽の質量の 10 億倍に成長するのに十分な時間はありません.
2005 年と 2006 年に、私はポスドクと一緒に「大規模な種子」に関する最初の 2 つの論文を書きました。私たちの論文では、星の形成を迂回して、太陽の質量の約 10,000 倍から 100 万倍の非常に巨大なシード ブラック ホールを形成して、これらのクエーサーを説明できると述べています。簡単なアイデアは、あなたが浴槽にいて、プラグを抜くというものです。水が渦に入っているのがわかります。非常によく似たことがガス円盤のある初期宇宙で起こります。プラグを引き上げるのと同等の不安定性が発生し、ガスが非常に急速に中心に吸い込まれます。私たちが行ったことは、これらの「直接崩壊するブラック ホールの種」をより大きな宇宙像に統合することでした。ブラック ホールの集団は、形成、進化、クエーサーになり、オフになり、輝きますが、今日まで続いています。
その内容の 95% が不明であるにもかかわらず、宇宙の進化を完全に捉える「宇宙論の標準モデル」という理論があるというのは逆説的です。それを人々にどのように説明しますか?
あなたが浜辺にいて、砂丘を見ているとします。それらは消散し、再形成され、海に飲み込まれます。砂丘がどのように進化するかというダイナミクスは、風と水を理解しているため、非常によく理解できます。しかし、一粒の砂が何でできているか、実際にはわかりません。それが私たちが今いるところです。天体物理学は暗黒物質の粒度、つまり暗黒物質がどのように凝集するかを教えてくれます。それはあなたにいくつかの理解を与えます。それは候補者を除外します。砂粒は岩ではないと言っているようなものです。それらは小石ではありません。彼らはとても元気です。しかし、穀物が何でできているかは、素粒子物理学の実験から得られます.
基本的なレベルよりも砂丘のレベルを好みます。
はい。とはいえ、天体物理学レベルでの理論と観測の不一致は、あなたの理論に欠けているいくつかの基本的な要素への道を示しているかもしれません.基本的なもの、二次的なもの、より深いもののヒエラルキー — レイヤーが混同されます。基本的な問題もありますが、観測データはさまざまなレベルで構造化されており、それらすべてのスケールで発生する現象を接続する必要があります。そして、何が最も深刻な問題であるか、それほど問題でないかを階層的に整理することではなく、相互接続についてです。
インサイダーとアウトサイダーの哲学プロジェクトを継続していますか?
モデルを構築しているときに実際に何をしているのかをよく知っているため、このトレーニングにより、私はより優れた科学者になりました。私が複雑な物理現象を取り上げてそれを切り詰めているとき、私は自分が無関係とラベル付けしたものと本質的とラベル付けしたもの、そしてその理由を認識しています - それが直感、訓練、数学に関するものであるかどうか.プロセスへの関与のレベルが異なります。自己認識が非常に高い人は、人生がさらに充実します。
また、インサイダーとして、私自身の経験、そしてアウトサイダーとして、科学者グループがどのように活動しているかを観察することに非常に興味があります。私たちは心を開いているはずですが、そうではありません。そして、根本的に新しいアイデアがどのように受け入れられるかというこのプロセスを理解することで、私は完全に刺激を受けます.
現在、直接崩壊のアイデアは、初期宇宙における超大質量ブラック ホール形成の有力な理論と見なされています。コンセンサスが高まっている理由は何ですか?
このようなイメージを支持する証拠が少しずつ増えています。たとえば、コンピューター シミュレーションでは、直接崩壊ブラック ホールから始めて、初期宇宙にそれらを配置し、それらの銀河の成長を今日まで伝播させ、それらを観測されたクエーサーと一致させます。
ハッブルの後継であるジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡は、現在 2021 年に打ち上げられる予定であり、宇宙を十分に深く覗き込み、初期の宇宙で形成された銀河を垣間見ることができます。これらの観察は、直接崩壊のアイデアをテストしますよね?
はい。私たちは非常にクールなことに気付きました:直接崩壊の種は特大の物体として始まったので、周囲の星からの星の光は、そこに落ちたガスによって生成された光と比較して薄暗くなります.そして幸運なことに、James Webb はこれを見るために完璧にピッチングされています。私たちの主張は、望遠鏡が宇宙の最も初期の時代にクエーサーを見つけた場合、それはこれらの直接崩壊ブラック ホールの 1 つであるにちがいないということです。
打ち上げがまた延期されるのを見て、胸が張り裂ける思いだったに違いありません。
遅れた満足！ある意味で、この巨大な種が存在しない可能性があるため、この未知の期間を楽しんでおり、それは悲痛でもあります.私は自分に言い聞かせました。独創的なアイデアを思いつき、予測を立て、誰かがそれを真剣に受け止めてテストしました。 OK、正しくありませんでした。しかし、このすべてがあなたの生涯の中で展開されます—それがどれほどクールか考えてみてください!」だから私はそれが超クールな結果になるだろうと自分に言い聞かせようとしています.しかし、それらを見つけることはとても素晴らしいことです.
