В последнее время СМИ сообщили о создании астрономами самой масштабной трехмерной карты космоса! И это действительно так, но… не полностью. Naked Science расскажет, как и зачем астрономы создают карты мироздания и в чем заключается истинная значимость недавнего открытия.
Проект DESI, предназначенный для изучения темной энергии, недавно отметил завершение седьмого месяца наблюдений. За это время ученым удалось изучить более 7,5 миллиона галактик. В пресс-релизе исследования утверждается, что новый каталог уже «побил все предыдущие рекорды обзоров трехмерного [распределения] галактик, создав самую большую и самую подробную карту Вселенной за всю историю». То ли еще будет, когда завершится эта пятилетняя работа и на карту попадут более 35 миллионов «звездных островов»!
Здесь читатель, который следит за астрономическими новостями, вероятно, был бы удивлен. В 2020 году научный журнал Monthly Notices of the Royal Astronomical Society сообщил нам, основанной на данных обзора Pan-STARRS1 3π, включающей в себя более миллиарда галактик. Возникает вопрос: в какой системе подсчетов 7,5 миллиона превышает миллиард?
Действительно, «и ты, жена, права». Оба трехмерных обзора являются крупнейшими в определенном смысле. Противоречие появляется из-за упрощения и игнорирования важных деталей при пересказе научных работ для широкой аудитории. Однако, как известно, истина кроется в деталях, и порой из-за их игнорирования общая картина становится искаженной. Объясним, что к чему и как (и главное, зачем) создаются объемные карты Вселенной.
Почему космические карты устанавливают на планшеты
Для определения координат объекта в трехмерном пространстве необходимо знать два параметра: направление на него и расстояние до него. С определением направления обычно не возникает трудностей, ведь ориентироваться по небесным светилам умели еще в древнем Вавилоне. Однако, как измерить расстояние? Какой измерительный инструмент позволит определить расстояние до звезд, а тем более — до галактик? Или, может быть, этот параметр не так уж и важен? Можно ли ограничиться двумерными картами? (Здесь должна была бы прозвучать шутка о небесной тверди, но, пожалуйста, придумайте ее сами.)
Без информации о расстоянии до объекта, установить его реальные характеристики не представляется возможным
Невозможно установить размеры или энерговыделение объекта без знания расстояния до него, что делает определение его истинной природы невозможным. Квазар, излучающий свет, в десятки триллионов раз превосходящий солнечную светимость, и находящийся на границе видимой Вселенной, предстает в телескоп как обычная тусклая звездочка в Млечном Пути. Для наблюдателя сотни миллиардов звезд, составляющих далекие галактики, выглядят как размытые пятнышки, не отличающиеся от обычных облаков газа и пыли, находящихся всего в тысяче световых лет от нас (неслучайно эти явления раньше обозначались как туманности). Когда астрономы впервые обнаружили гамма-всплески, они были в замешательстве относительно их природы: были ли это катастрофы космического масштаба, происходящие в других галактиках, или… какие-то вспышки в земной атмосфере. Подобные яркие примеры можно приводить бесконечно.
Без возможности определять расстояния до космических объектов, наше понимание их природы всегда оставалось бы неполным. Именно поэтому необходимы инструменты для измерения, позволяющие оценить размеры на протяжении тысяч, миллионов и миллиардов световых лет.
Но это еще не все. Представим, что с помощью эльфийской магии мы получили бы возможность исследовать каждую галактику, не зная расстояния до нее. Даже в этом случае нам понадобилась бы подробная карта, демонстрирующая расположение каждой галактики. И это не только проистекает из естественного любопытства, побуждающего нас узнавать, что и где находится во Вселенной. Трехмерная структура Вселенной – ключ к ее прошлому и фундаментальным законам, по которым она функционирует. В частности (хотя и не исключительно) – к пониманию природы загадочной темной энергии.
Изучение трехмерной структуры Вселенной может предоставить ответы на вопросы о природе загадочной темной энергии
Изучение этой субстанции неслучайно является приоритетной целью проекта DESI, что отражено в его названии. Эта загадочная субстанция обуславливает ускоренное расширение Вселенной (без нее скорость расширения постепенно замедлялась бы вследствие взаимного притяжения материи, хотя и не обязательно достигла бы нуля). Обеспечение ускорения расширения пространства-времени — задача непростая, и, по мнению космологов, на этот неизвестный «акселератор» приходится приблизительно 70% всей энергии Вселенной.
Что же такое темная энергия? Существует множество гипотез, способных удовлетворить любой вкус. Некоторые ученые полагают, что это энергия, заложенная в самом вакууме благодаря постоянному возникновению и исчезновению виртуальных частиц. Другие считают, что виной всему неизученные экспериментально поля. Третьи предлагают существование небесных тел, обладающих отталкивающей гравитацией (не рекомендуется проводить подобные эксперименты самостоятельно) или что-то не менее необычное. Никто не располагает точным ответом на этот вопрос.
Неважно, что собой представляет темная энергия, ее характеристики должны проявляться в трехмерном расположении галактик. Именно эти характеристики стремятся определить исследователи DESI и другие подобные проекты. По мере углубления понимания принципов действия темной энергии, станет более понятным ее природа. По крайней мере, на это возлагают большие надежды ученые.
Сквозь Вселенную с рулеткой
Итак, необходимо измерять расстояние до далеких галактик. Но как это сделать? Для этого используется знаменитый закон Хаббла. Он гласит, что если галактика удаляется от нас вследствие расширения Вселенной со скоростью V, то расстояние r до нее равно r = V/H, где H — постоянная Хаббла. Вопрос о том, как измерить эту «постоянную» (которая, на самом деле, меняется со временем), требует отдельного обсуждения. Для простоты предположим, что значение этой постоянной уже известно. В таком случае, зная скорость удаления галактики, можно определить расстояние до не.
Несмотря на то, что напрямую измерить эту скорость невозможно, наблюдатели могут определить красное смещение галактики, которое с высокой точностью позволяет вычислить ее скорость. Что же это за величина?
Свет представляет собой электромагнитные волны, различающиеся по своей длине. Наименьшая длина волны характерна для фиолетового света (400 нанометров), наибольшая — для красного (800 нанометров). Однако, в процессе расширения Вселенной, пространство растягивается, что приводит к удлинению световых волн, испускаемых удаленными галактиками. Таким образом, длина волны увеличивается, и свет смещается в красную область спектра. Красное смещение – это показатель, определяющий степень изменения цвета света от далёкой галактики.
Определить красное смещение наиболее эффективно можно, получив спектр объекта. Однако для этого требуются наблюдения высокого качества, что предполагает использование большого телескопа, относительно яркие галактики и значительное время наблюдений. Также необходим спектрограф – прибор, предназначенный для изучения спектра, который, как правило, является сложным и дорогостоящим).
DESI служит ярким примером подтверждения этой идеи. В работе используется телескоп с апертурой 4 метра. Каждому участку неба уделяется 20 минут наблюдения. В течение пяти лет будет исследовано более трети небесной сферы, а общее количество галактик, попавших в поле зрения, достигнет миллиардов, а возможно, и десятков миллиардов. Однако спектры планируется получить только для 35 миллионов галактик и 2,4 миллиона квазаров.
И, поверьте, это много. DESI — крупнейший в истории спектроскопический обзор галактик. Эта масштабная работа и подразумевается под выражением «самая большая трехмерная карта Вселенной». Для создания такого масштабного проекта астрономам потребовался спектрограф, оснащенный 5000 оптическими волокнами, по которым передается свет. К каждому из них подведен специальный робот, который при повороте телескопа (каждые 20 минут) устанавливает новое положение волокна с точностью до 0,01 миллиметра. Это поистине выдающееся достижение инженерной мысли!
Возникает закономерный вопрос: возможно ли создание более доступной версии, с менее мощным телескопом и без сложного спектрографа? При этом желательно наблюдать максимально возможное количество галактик. И ответ – да, такая возможность существует.
Согласно обзору Pan-STARRS1 3π, астрономы рассчитали красное смещение для почти трех миллиардов объектов, включая более миллиарда галактик, квазаров и обычных звезд. При этом использовался телескоп диаметром всего 1,8 метра. Для измерения блеска этих объектов в нескольких широких спектральных диапазонах, наблюдатели использовали сравнительно недорогие светофильтры, что исключало необходимость в дорогостоящем спектрографе. На основе полученных данных был восстановлен приблизительный вид спектра и определено красное смещение. Этот способ измерения красного смещения получил название фотометрический.
Как говорил бы дьявол, выглядывающий из-под ковра, за все приходится платить. Однако, в данном случае, цена – это снижение точности измерений. Фотометрический метод значительно уступает по точности спектроскопическому. Это вполне объяснимо, поскольку он предоставляет не полный спектр, а лишь его фрагмент. Отсутствующие данные приходится восполнять с помощью гипотез, однако даже самая обоснованная гипотеза не столь надежна, как достоверный факт.
В заключение следует отметить, что фотометрическая трехмерная карта Вселенной, созданная на основе данных Pan-STARRS, включает в себя значительно большее количество галактик, чем сможет зафиксировать DESI. Однако это стало возможным за счет снижения точности определения расстояний до наблюдаемых объектов. DESI, в свою очередь, использует принцип качественного, но ограниченного спектроскопического обзора. Обе разработки являются выдающимися достижениями, которые не соперничают друг с другом, а, наоборот, дополняют друг друга. Разные типы карт необходимы и важны.
Стоит отметить, что данные DESI, как и любые масштабные обзоры, найдут применение не только для первоначальных целей. Исследователи максимально используют полученную информацию. В частности, астрономы намерены исследовать центры небольших галактик в поисках сверхмассивных черных дыр. Долгое время существовал вопрос об их наличии там, поскольку свет, излучаемый веществом, падающим на черную дыру в малой галактике, сложно отличить от света звезд, за исключением спектрального анализа. До начала работы DESI не хватало достаточного количества спектров, однако теперь, как надеются ученые, их будет более чем достаточно. Кроме того, планируется изучить эволюцию квазаров и решить ряд других научных задач. Как это часто бывает в науке, полученные ответы порождат новые вопросы, и именно это представляет наибольший интерес.