В статье, опубликованной в журнале LONGREADS, научная журналистка Шеннон Стирон рассказывает о работе над проектом DESI, посвященном изучению темной энергии, о концепции тепловой смерти Вселенной и о своем посещении телескопа Mayall, расположенного на Китт-Пик.
На протяжении всей истории развития человечества люди стремились понять себя в контексте своего местоположения. Мы идентифицируем себя с местом, где родились и живем, а зачастую и с теми местами, куда только направляемся. Одна из старейших карт мира относится к Месопотамии VII или VI века (до нашей эры). Вавилонская карта мира, или Imago Mundi (от лат. «Образ мира») – это небольшая глиняная табличка, выполненная в технике клинописи. Восемь разделов этой таблички повествуют о регионе, расположенном вокруг реки Евфрат в Вавилоне. Однако, она представляет собой нечто большее, чем простое географическое отображение территории, где обитали вавилоняне.
***
Реку Евфрат окружают границы, которые трактуются как символ океана или «горькой реки». Территории, находящиеся вне этих границ, именуются «нагу», или «далекие земли», некоторые из которых также упоминаются в вавилонском эпосе о Гильгамеше. Анализ взаимосвязи между элементами карты демонстрирует, что древние вавилоняне стремились определить свое место и определить свое местоположение в огромных, неизведанных территориях, которые оставались для них непостижимыми. На протяжении многих лет человеческие цивилизации посвятили значительное время изучению звезд, планет и их движению по небу. Но Imago Mundi — это — древнейшая карта, отображающая нашу среду обитания, изучение которой также представляло значительные трудности.
По обе стороны от огромного телескопа расположены два ножничных подъемника, на которых люди закреплены к металлическим ограждениям. Где-то в глубине, где, предположительно, должна функционировать армия из 5000 роботов, произошла утечка масла, что препятствует наблюдению за галактиками. Я посетила 4-метровый телескоп Mayall в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне в обычный рабочий день в сентябре 2019 года. Когда я начала подъём в гору, небо было ясным. По обе стороны дороги были видны заросли зелени и слоистые скалы, напоминающие торт «Наполеон». Эти геологические образования сформировались примерно 200 миллионов лет назад, в триасовый период.
По мере того, как моя машина поднималась на высоту 2098 метров, она все сильнее оказывалась в облаках — окружающее пространство теряло четкость. Когда я остановилась и вышла из автомобиля, порыв ветра едва не повалил меня. Я подняла глаза, чтобы рассмотреть купол обсерватории, но не смогла его увидеть. Купол, в котором установлен четырехметровый телескоп Mayall, расположен на уровне 18 этажей и был полностью закрыт облаками.
Практически завершена установка прибора DESI на территории обсерватории Китт-Пик. Этот инструмент предназначен для поиска темной энергии — загадочной силы, обуславливающей расширение Вселенной с невероятной скоростью, достигающей десятков тысяч километров в секунду (если быть точным, 70 километров в секунду на мегапарсек). DESI (англ. Dark Energy Spectroscopic Instrument — спектроскопический прибор, предназначенный для изучения темной энергии, сделал свой первый астрономический снимок 22 октября 2019 года. Его задача крайне амбициозна – создание максимально детализированной трехмерной карты Вселенной. Для этого необходимо заглянуть в прошлое, на 11 миллиардов лет назад, когда Вселенная была еще очень молодой, галактики только начинали формироваться, и в целом представляла собой более компактную структуру.
22 октября 2019 года DESI впервые запечатлел астрономический снимок. В марте 2020 года ввод в эксплуатацию был завершен и приостановлен на время пандемии. 17 мая 2021 года стартовал пятилетний сбор данных.
***
На протяжении тысячелетий люди преодолевали горные хребты и реки, чтобы составить карту и понять свое положение в мире. В определенном смысле, эта трехмерная карта Вселенной – последнее, что люди могут создать. Мы отобразили контуры материков, указали реки и океаны, страны и виды. Нанесены на карту Марс, Луна, Солнечная система и даже наша галактика. Осталось лишь одно, что необходимо постичь таким символическим образом — это космос в целом.
DESI представляет собой сложную систему, состоящую из 500 000 взаимосвязанных элементов, работающих в унисон. 5000 оптоволоконных кабелей, помещенных в специальные трубки, протянуты на расстояние 12 метров от верхней до нижней части телескопа. Эти нити, обладающие толщиной, сопоставимой с человеческим волосом, изготовлены из чистого стекла и служат для передачи света. В верхней части телескопа все 5000 нитей разделяются, и каждая направляется к своей галактике. Каждые 20 минут телескоп переориентируется на новый участок неба, и каждый из 5000 кабелей фокусируется на другой галактике. Несколько секунд достаточно каждому роботу, чтобы изменить направление на новый объект. В среднем, команда рассчитывает за ночь собрать свет от 150 000 различных галактик, и повторное наблюдение за одной и той же галактикой маловероятно.
Несмотря на кажущуюся необычность, наибольшую сложность для DESI представляет не визуализация на карте почти 40 миллионов галактик за пять лет, а управление 5000 миниатюрных роботов, которые перемещают каждую стеклянную прядь внутри телескопа. «Это чрезвычайно сложный инструмент», – отмечает Майкл Леви, директор DESI. «В нем насчитывается полмиллиона движущихся элементов». Подобно изящным внутренним механизмам часов, 5000 роботов DESI настолько малы, что сбой в работе во время переключения может поставить под угрозу всю операцию и сбор данных.
В течение пяти лет телескоп DESI будет анализировать прошлое, фиксируя свет, испущенный миллиарды лет назад, чтобы глубже понять историю Вселенной. Полученные данные позволят ученым отследить путь света через космические пространства. Несмотря на то, что мы пока не можем совершить путешествие в прошлое, у нас есть телескопы, которые, по сути, являются настоящими машинами времени. Часто мы забываем, что изображения, которые мы видим в космосе, не отображают текущее состояние дел – свету требовались миллионы или миллиарды лет, чтобы достичь Земли. Изучая глубокий космос, мы, по сути, изучаем прошлое и наблюдаем за объектами такими, какими они были когда-то, зная, что с ними происходит в настоящее время. Об этом свидетельствуют фотоны – одни из самых легких частиц во Вселенной, переносящие квант света. Именно они играют важнейшую роль в том, как DESI поможет нам разобраться в природе темной энергии и расширении Вселенной.
Имея в виду, что свет достигает нас спустя столь долгое время, каждый фотон способен поведать свою историю о месте своего происхождения и пройденном пути. Эти фотоны провели миллиарды лет, перемещаясь в космическом пространстве, чтобы достичь Земли, однако их путешествие не заканчивается, когда они попадают на зеркало телескопа Mayall. Проникая в один из стекловолоконных кабелей, свет проходит вдоль телескопа, последовательно проходя через каждую стеклянную нить на 12 метров вниз, затем сквозь белый кафельный пол и попадает в помещение, где расположено 10 идентичных спектрографов. Эти приборы разделяют свет от каждой галактики на спектр. В зависимости от истории каждого отдельного потока фотонов, спектр смещается либо в сторону красного, либо синего света. Все дело в том, что при движении света происходят небольшие изменения в его цветовой гамме: если объект приближается к нам, его световая волна сжимается и смещается в синюю область спектра, а если же объект удаляется от нас, световая волна растягивается и смещается в сторону красного цвета. После многих миллиардов лет путешествия свет от всех 40 миллионов галактик завершится в чистой комнате внутри купола на вершине горы в Тусоне, штат Аризона.
***
В 1929 году астроном Эдвин Хаббл, анализируя световые спектры галактик, установил, что у многих из них наблюдается красное смещение, что, по его мнению, указывало на их удаление от Земли. Однако, на самом деле, он обнаружил расширение Вселенной. Эти галактики не просто перемещались в пространстве, сама структура пространства-времени подвергалась расширению. Хаббл не принял это как доказательство расширения, и только спустя семь десятилетий ученые пришли к пониманию того, что Вселенная не просто расширяется, но и делает это с ускорением.
Наблюдается не только расширение Вселенной, но и то, что этот процесс происходит с возрастающей скоростью
Примерно за десятилетие до начала работы телескопа Хаббла Альберт Эйнштейн ввел в общую теорию относительности так называемую космологическую постоянную. Изначально он исходил из предположения, что Вселенная статична, а ее плотность остается постоянной. Когда Эйнштейн ознакомился с наблюдениями Хаббла и данными о красном смещении галактик, он подверг свою теорию сомнению, что оказалось необоснованным. Несмотря на то, что Вселенная не является статичной (мы уже установили, что она активно расширяется), ее плотность по-прежнему остается неизменной. Представьте себе такую ситуацию: вы находитесь в гостиной, где есть стол, телевизор, несколько книг и чашка кофе. Если теперь комната начнет увеличиваться в размерах, объекты в ней не увеличатся в плотности, а лишь отдалятся друг от друга. Аналогичная ситуация наблюдается и в нашей Вселенной.
Ранее астрономам было сложно принять эту концепцию, поскольку во Вселенной присутствует огромное количество материи. Известно, что гравитация заставляет материю скапливаться, поэтому логично предположить, что Вселенная должна сжиматься. Согласно последним расчетам астрономов, во Вселенной может находиться до двух триллионов галактик, состоящих из двух основных типов материи. Материя, из которой состоим мы с вами, наши питомцы, мебель и гаджеты, составляет лишь 5% всей материи во Вселенной. Около 25% приходится на темную материю, которую невозможно наблюдать. Однако преобладающую роль во Вселенной играет темная энергия, составляющая 70% от всего сущего. Таким образом, девяносто пять процентов Вселенной формируют вещества, которые мы не видим и плохо понимаем. На данном этапе развития событий будет уместно утверждать, что «нормальной» материей для этой Вселенной являются не мы, а лишь наши пять процентов.
Термин «темная энергия» появился из-за недостатка информации — ученые используют его, поскольку не могут ее непосредственно зафиксировать и на данный момент не имеют представления о ее природе. Однако существуют некоторые гипотезы. «Наиболее простая интерпретация заключается в том, что это космологическая постоянная», — отмечает доктор Риса Векслер, астрофизик и профессор Стэнфордского университета. «В сущности, это означает, что это характеристика самого пространства, которая присутствует постоянно во всей протяженности пространства и времени». Этот вариант объяснения является единственным, которое позволяет применить теорию плотности Эйнштейна. Один-ноль в пользу действующей рабочей модели. Однако здесь возникает парадокс: по мере увеличения объема пространства растет и количество темной энергии, что приводит к ускоренному расширению Вселенной. Следовательно, расширение Вселенной порождает все больше пространства, а значит, и темной энергии. «В настоящее время мы переживаем весьма любопытный период в космологии», — говорит Векслер. «У нас есть модель, которая на протяжении последних 20 лет служила стандартом. Она пока что демонстрирует свою работоспособность, но все больше данных свидетельствуют о том, что она вот-вот перестанет быть актуальной. И сейчас мы не можем предсказать, что произойдет, когда качество данных улучшится: подтвердим ли мы модель или ясно увидим, что она больше не соответствует действительности».
Исследования, проводимые DESI, способны продемонстрировать ошибочность современных представлений о Вселенной — и это не первый подобный случай. Известно, что темная энергия не является частицей, как это происходит с темной материей. Некоторые исследователи предполагают, что она может быть связана с другим измерением, проникающим в нашу вселенную. Однако, наиболее вероятным объяснением представляется само пространство. Это подразумевает, что космос никогда не был абсолютно пустым, просто мы не имели возможности наблюдать, из чего он состоит. Но что же подразумевается под выражением «само пространство»? Ответа на этот вопрос пока нет.
Несмотря на относительно недавнее появление человечества на Земле, мы добились значительных успехов в изучении космоса. Известно, что Земле приблизительно 4 миллиарда лет, и около 13,8 миллиарда лет назад из состояния абсолютной пустоты возникло всё сущее. Мы практически ничего не знаем о первой десятимиллионной триллионной триллионной триллионной секунды после Большого Взрыва, однако после этого момента у нас имеется точная хронология всех произошедших событий, от начала и до настоящего времени. Сразу после формирования Вселенной она начала стремительно расширяться, подобно надуваемому шару, что привело к рассеиванию материи на огромные расстояния. Однако это расширение вскоре замедлилось, и Вселенная продолжила увеличиваться в размерах, хотя и без ускорения. Затем начался период стабильного развития: формировались звёзды, они объединялись в галактики, галактики сливались, образуя скопления галактик, и появлялись объекты, составляющие ту версию Вселенной, которую мы наблюдаем. Именно в этот момент начинаются наиболее захватывающие события.
Под воздействием гравитации вся эта материя притягивалась, что соответствовало ее свойствам. Это притяжение замедлило расширение Вселенной. Однако примерно семь миллиардов лет назад расширение Вселенной неожиданно ускорилось, и с тех пор только нарастает. В период между одиннадцатью и семью миллиардами лет назад в процесс вмешалась темная энергия и начала определять его ход. Для представления о скорости этого расширения: если бы Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад без темной энергии и расширения, ее диаметр составил бы 13,8 миллиарда световых лет, но благодаря темной энергии наблюдаемая Вселенная в настоящее время имеет поперечник в 91,32 миллиарда световых лет.
Исследователи во всем мире, в том числе специалисты, работающие над проектом DESI, активно ищут ответы на вопросы о том, как и почему произошли эти изменения. Происхождение темной энергии остается загадкой. На данный момент известно лишь, что темная энергия доминирует.
***
Сегодня необходимо восстановить балансировку телескопа, нарушенную массивными кабелями DESI. Я находилась рядом с Дэвидом Спрейберри, моим гидом и руководителем проекта, пока его команда фиксировала себя страховочными ремнями для подъема на высоту, эквивалентную 18 этажа. Мужчины, ровесники моего отца, облачались в снаряжение, напоминающее то, что надевает человек, намеревающийся подняться по внешней стене Эмпайр-стейт-билдинг. Некоторые из этих специалистов трудятся над телескопом с момента его постройки более 40 лет назад и наблюдали за его использованием в различных научных исследованиях, включая проект DESI. Они обсуждали свои планы на выходные, кто будет управлять лифтом — и, конечно, убедились ли все в надежности креплений. Сегодня умирать совсем не хотелось! И вот они начали подъем.
Для обеспечения устойчивости телескопа рабочие переносят подносы с небольшими свинцовыми грузами, сопоставимыми по размеру с конвертом. Они фиксируют каждый груз, затем проверяют его влияние на баланс, после чего добавляют дополнительный вес и вновь проверяют. До момента получения «первого света», как его называют астрономы, остаётся всего несколько недель. Первым объектом, который станет целью пристального изучения с помощью DESI, станет спиральная галактика Треугольник, расположенная на расстоянии 2,7 миллиона световых лет от Земли. Эта галактика была настолько тщательно изучена в течение многих лет, что ее спектральные характеристики хорошо задокументированы, что делает ее своего рода эталоном для галактических измерений.
Перед тем, как группа начала решать задачу, связанную с настройкой, мы спустились по узкой металлической лестнице в центр телескопа, непосредственно под зеркалом. Зеркало Мэялла вдвое больше зеркала космического телескопа Хаббла, и, возможно, оно уже не новое, но это весьма значимый телескоп. И это необходимо, поскольку перед ним стоит сложная задача.
***
Надписи на карте Imago Mundi описывают некоторые основные особенности — где восходит солнце, где находятся горы. Но есть линия, которая описывает четыре квадранта карты как «Четыре квадранта всей вселенной». Факт, о котором они тогда не могли знать, по-прежнему остается верным: граница Вселенной ограничена тем, что мы можем видеть.
Наконец, последний абзац текста на Imago Mundi — это яркий финал: «Во всех восьми “регионах” четырех берегов (кибрати) земли, их внутренности остаются неизвестными». Древних вавилонян ограничивали в знаниях о территории, расположенной за восточными горами, однако они были уверены, что подземный мир находится в одном направлении, а в другом – обитают враждебные существа. Вавилоняне были далеки от всезнания, и, несмотря на экспоненциальный рост наших знаний, мы во многих аспектах находимся в схожей ситуации: мы смотрим вверх и в стороны, пытаясь угадать, что скрывается за границами нашего мира.
Проект DESI может показаться странным – создание карты Вселенной, которая непрерывно изменяется и расширяется. В этом есть нечто удивительное и немного ироничное: мы пытаемся зафиксировать границу, которая постоянно удаляется от нас, подобно попытке зарисовать на карте песчинки на пляже во время прилива. «Край» нашей Вселенной будет отдаляться, пока не произойдет коллапс. Однако эта карта Вселенной рассказывает больше о нашем прошлом, чем о будущем. Ведь для понимания направления нашего движения необходимо сначала узнать, какие пути мы уже прошли.
Майкл Леви, руководитель проекта DESI, проводит параллель между ним и космической магнитно-резонансной томографией. Он отмечает, что это похоже на эволюцию в медицине, когда от двухмерных рентгеновских снимков произошел переход к трехмерной визуализации с помощью МРТ. DESI реализует аналогичный принцип, но уже в космической сфере: «мы получим возможность создавать временные «срезы» Вселенной, показывающие объекты, находящиеся на одинаковом расстоянии от Земли».
Анализируя полученные данные и разделяя свет на временные отрезки, исследователи смогут воссоздать историю Вселенной. В конечном итоге, после завершения исследования, мы получим возможность изучать глубокое астрономическое время, подобно тому, как геологи используют окаменелости и минералы для повествования о прошлом Земли. Такие инструменты, как DESI, позволяют нам бросить вызов законам физики: заглядывая в прошлое, мы сможем прогнозировать будущие события, вплоть до завершения существования Вселенной.
***
Наше самоопределение тесно связано с нашим местоположением. Когда речь заходит о космосе, временные рамки выходят далеко за пределы нашего ограниченного жизненного цикла или даже за пределы нашего представления. Некоторые вопросы о нашей Вселенной останутся без ответов – они будут принадлежать будущим поколениям, и, возможно, человечество никогда не сможет на них ответить. Но тогда зачем все это? Почему так важно установить, когда и как возникла Вселенная? Почему нас занимает, когда и чем она завершится? Потому что на протяжении всей жизни наше местоположение определяет нашу идентичность. Один из первых вопросов, который мы задаем, осваивая новый язык, – «откуда вы?». Знание нашего местонахождения в любой момент времени позволяет нам создать систему отсчета, относительно которой можно измерить течение жизни.
Перед отъездом мы сделали остановку в главном офисе, где сотрудники получают ключи от своих общежитий. Многие из них спали днем, что типично для астрономов. На стене висит тридцатилетняя пробковая доска, увешанная выцветшими на солнце вырезками из газет, которые так или иначе связаны с астрономией. Внизу находится черно-белый рисунок с рваными краями, на котором изображен мультяшный персонаж, смотрящий в телескоп, и подпись: «Я читал, что Вселенная удаляется от Земли со скоростью, превышающей 15 000 миль в секунду! Возможно, она знает что-то, чего не знаем мы».
Я попрощалась с телескопом и командой DESI около 16:00. При отъезде облака рассеялись, и открылся вид на Китт-Пик. На каждом хребте располагались группы телескопов, каждый из которых стремился найти ответ на свой вопрос, направляя свои инструменты в небо. Я увидела дороги, извивающиеся по долине внизу – теперь я точно знала, где нахожусь.
***
Когда-нибудь, спустя триллионы триллионов лет после исчезновения человечества, Вселенная прекратит свое существование. Подобно нам, она постоянно приближается к своему концу. Ее расширение достигнет такой степени, что сама материя начнет разрушаться и постепенно остынет, пока не достигнет равномерной температуры. Это одна из наиболее распространенных гипотез – теория Тепловой смерти Вселенной, или Большое замерзание. В конечном итоге погаснут звезды, галактики и их планетные системы – все, что нам когда-либо было знакомо, будет поглощено черными дырами, которые станут последним, что останется во Вселенной. В итоге даже вещество, содержащееся в этих черных дырах, испарится, не оставив после себя ничего. Это производит впечатление даже более сильное, чем знаменитое описание Сагана о «бледно-голубой точке»: все, что нам когда-либо было известно, исчезнет, каждый человек, когда-либо рожденный и умерший, каждый, кого мы когда-либо любили, каждое произведение искусства, каждая книга, каждая планета, каждая галактика, каждая звезда, каждый атом, который когда-либо был создан, перестанет существовать.
Мы находимся на обычной каменистой планете, одной из триллионов, входящей в состав солнечной системы. Наша планета обращается вокруг звезды, не отличающейся никакими особыми характеристиками, расположенной в рукаве Ориона галактики Млечный Путь, в сверхскоплении Девы, в расширяющейся вселенной. Наше местоположение постоянно меняется.