Астрономы создали самую подробную трёхмерную карту Космоса – эту новость недавно опубликовали СМИ. И это действительно так, но… не совсем. Naked Science расскажет, как и зачем астрономы составляют карты мироздания и в чём грандиозность недавнего открытия.
Проект DESI (Спектроскопический инструмент для изучения темной энергии) недавно отметил семимесячный срок наблюдений. За это время астрономы рассмотрели свыше 7,5 миллионов галактик. пресс-релизеИсследования утверждают, что новый каталог уже установил рекорды по обзорам трехмерного распределения галактик, создав самую большую и подробную карту Вселенной. Будущее заглядывает еще ярче: когда завершится пятилетняя работа, на карту попадут более 35 миллионов «звездных островов».
В данном месте внимательный астрономиям-любителю стало бы весьма любопытно. В 2020 году научный журнал «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» … сообщил намО трёхмерной карте по данным обзора Pan-STARRS1 3π, охватившей более миллиарда галактик. Как такое возможно? В какой другой системе счёта 7,5 миллионов превышает миллиард?
В действительности «и ты, жена, права». Оба трёхмерных обзора — самые крупные в определённом смысле. Противоречие возникает лишь из-за умалчивания деталей в пересказах научных статей для широкой публики. Но ведь именно в деталях кроется дьявол, и порой из-за его рогов ковер заметно топорщится. Расскажем о том, что здесь к чему и как вообще (а главное, зачем) создаются объемные карты Вселенной.
К чему загружать планшетам космические карты?
Чтобы установить место объекта в трехмерном пространстве, нужно знать два показателя: направление на него и расстояние до него. С первым нет затруднений: определение направления на светила освоили еще в древнем Вавилоне. А вот с расстоянием как быть? Какая линейка достанет до звезд, тем более — до галактик? Может, просто не важно это расстояние? Можно ли обойтись двумерными картами? (В этом месте должна была быть шутка про небесную твердь, но придумайте ее сами.)
Без знания расстояния до объекта истинная его природа остаётся неясным.
Без знания расстояния до объекта невозможно определить его размеры и энерговыделение, а значит, истинную природу. Квазар, светимостью в десятки триллионов Солнц, расположенный на краю видимой Вселенной, в телескоп выглядит как рядовая слабая звездочка Млечного Пути. Далекие галактики в сотни миллиардов звезд для наблюдателя — точно такие же туманные пятнышки, как заурядные облака газа и пыли в тысяче световых лет от нас (не случайно те и другие раньше именовались туманностями). При открытии гамма-всплесков астрономы не могли понять, что это: то ли катаклизмы космического масштаба где-то в других галактиках, то ли вспышки в атмосфере Земли.
Без возможности измерить расстояния до небесных тел, мы так и не смогли бы понять их сущность. Поэтому нам необходимы инструменты, подобные линейкам и рулеткам, но масштаба в тысячи, миллионы и миллиарды световых лет.
Даже если бы эльфийская магия позволила изучить каждую галактику, без определения расстояний нам все равно понадобилась бы объемная карта ее расположения. Такая карта нужна не только из любопытства о порядке мироздания, но и потому что трехмерное строение Вселенной — ключ к ее прошлому и управляющим ею законам. Именно оно может раскрыть природу темной энергии.
В структуре трёхмерного мира Вселенной скрыт секрет природы загадочной темной энергии.
Изучение этого вещества – главная цель DESI, как следует из названия. Эта загадочная субстанция заставляет Вселенную расширяться ускоренно; без нее скорость расширения постепенно уменьшалась бы из-за взаимного притяжения материи, хотя и не обязательно до нуля. Ускорить расширение пространства-времени – непростая задача, и по оценкам космологов, на этот неведомый «акселератор» приходится около 70% всей энергии Вселенной.
Существует множество гипотез о природе темной энергии, каждая на свой вкус. Некоторые теоретики полагают, что энергия присуща самому вакууму из-за постоянного рождения и уничтожения виртуальных частиц. Другие считают причиной еще не открытые экспериментаторами поля. Третьи предлагают концепции небесных тел с отталкивающей гравитацией или других экзотических объектов. Точного ответа пока нет.
Независимо от природы темной энергии, ее характеристики должны проявляться в трехмерном распределении галактик. Сотрудники DESI и других подобных проектов стремятся выяснить эти свойства. Более глубокое понимание работы темной энергии поможет раскрыть ее сущность. В этом ученые искренне верят.
Сквозь Вселенную с рулеткой
Чтобы определить расстояние до удаленных галактик, требуется применить известный закон Хаббла. В нем говорится, что если галактика отдаляется от нас вследствие расширения Вселенной со скоростью V, то расстояние r до нее равно r = V/H, где HПостоянная Хаббла — интересный объект для изучения. Как измерить эту «постоянную», которая на самом деле меняется со временем, — отдельный вопрос. Допустим, что у нас уже есть её значение. Зная скорость удаления галактики, можно вычислить расстояние до неё.
Наблюдатели не могут напрямую измерить скорость галактик, но способны измерить её красное смещение, которое можно пересчитать в скорость.
Свет представляет собой электромагнитные волны разной длины. Фиолетовый свет имеет самые короткие волны (400 нанометров), а красный — самые длинные (800 нанометров). Расширяющаяся Вселенная растягивает пространство, и световые волны от далеких галактик увеличиваются вместе с ним. Длина волны возрастает, свет становится красным. Красное смещение — это величина, показывающая, насколько покраснел свет далекой галактики.
Чтобы определить красное смещение, необходимо получить спектр объекта. Однако это требует высококачественных наблюдений, больших телескопов, относительно ярких галактик и длительного времени наблюдений. Не говоря уже о спектрографе — приборе для изучения спектра, который, как всегда, сложен и дорог.
Обзор DESI служит наглядным примером этого утверждения. Для него используется телескоп диаметром четыре метра. Каждый участок неба наблюдается двадцать минут. За пять лет будет охвачено более трети небесной сферы, и общее число галактик, попавших в поле зрения, составит миллиарды, если не десятки миллиардов — но спектры получат только для 35 миллионов галактик и 2,4 миллиона квазаров.
И, поверьте, это многоDESI — самый большой спектроскопический обзор галактик за всю историю. Это и есть смысл слов о «самой большой трёхмерной карте Вселенной». Для такого результата астрономам понадобился спектрограф с пятью тысячами оптических волокон, по которым распространяется свет. К каждому волокну приставлен специальный робот, который раз в двадцать минут при повороте телескопа устанавливает новое положение волокна с точностью до 0,01 миллиметра. Настоящее чудо техники!
Возникает естественный вопрос: не существует ли варианта для малообеспеченных – с более компактным телескопом и без сложного спектрографа? В отношении же галактик желательна максимально широкая охватная зона. Да, такой вариант имеется.
Согласно обзору Pan-STARRS1 3π, астрономы определили красное смещение почти трех миллиардов объектов, включающих галактики (более миллиарда), квазары и обычные звезды. Этому способствовал телескоп диаметром всего 1,8 метра. Наблюдатели измерили блеск этих объектов в нескольких широких полосах спектра, для чего не требовался дорогостоящий спектрограф, а достаточно было сравнительно дешевых светофильтров. По этим данным восстановили примерный вид спектра и вычислили красное смещение. Такой метод измерения красного смещения называется фотометрическим.
Как заметил бы дьявол, высовывающий рога из-под ковра, ничего не дается бесплатно. Правда, взимается плата не душой, а точностью измерений. Фотометрический метод гораздо менее точен, чем спектроскопический. Это закономерно: ведь он дает не весь спектр, а лишь часть информации о нем. Пробелы приходится заполнять гипотезами, но даже самая обоснованная гипотеза менее надежна, чем факт.
Заключительные выводы. Фотометрическая трехмерная карта Вселенной по данным Pan-STARRS охватывает больше галактик, чем DESI.
Однако за это приходится платить меньшей точностью в определении расстояний до наблюдаемых объектов. Спектроскопический обзор DESI сделан по принципу «лучше меньше, да лучше». Оба достижения – выдающиеся и дополняющие друг друга. Карты нужны разные, важны разные.
Заметим напоследок, что данные DESI, как и любого большого обзора, будут использованы не только по прямому назначению. Ученые выжмут из них все возможное. Например, астрономы планируют искать в центрах небольших галактик сверхмассивные черные дыры. До сих пор спорный вопрос – есть ли там такие объекты, потому что свет падающего на черную дыру вещества в малой галактике можно отличить от света звезд разве что по спектру. До начала работы DESI спектров не хватало, но теперь, надеются исследователи, их хватит с лихвой. Еще ученые собираются изучить по данным DESI эволюцию квазаров и решить множество других вопросов. Ответы на которые, как водится в науке, станут источником новых вопросов, и это-то самое интересное.