Когда миллионы больше миллиардов, или О трехмерных картах Вселенной

Масштабный проект DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument, или Спектроскопический инструмент [для изучения] темной энергии) недавно отпраздновал небольшой юбилей: завершен седьмой месяц наблюдений. За это время астрономы успели обозреть 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»!

В этом месте читатель, внимательно следящий за астрономическими новостями, мог бы сильно удивиться. Еще в 2020 году научный журнал Monthly Notices of the Royal Astronomical Society сообщил нам, о трехмерной карте по данным обзора Pan-STARRS1 3π, охватывающей более миллиарда галактик. Как же так? В какой альтернативной арифметике 7,5 миллиона больше миллиарда?

На самом же деле «и ты, жена, права». Оба трехмерных обзора — самые крупные в определенном смысле. Противоречие возникает только из заметания под ковер деталей в пересказах научных статей для широкой публики. Но в деталях, как известно, кроется дьявол, и иногда из-за его рогов ковер уж очень заметно топорщится. Расскажем, что здесь к чему и как вообще (а главное, зачем) создаются объемные карты Вселенной.

Зачем грузить в планшеты космические карты

Чтобы определить положение объекта в трехмерном пространстве, нужно знать две вещи: направление на него и расстояние до него же. С первым нет никаких проблем: определять направление на светила худо-бедно умели еще в древнем Вавилоне. А вот что насчет дистанции? Какой линейкой дотянуться до звезд, тем более — до галактик? А может, и ну его, это расстояние? Можно ли обойтись двумерными картами? (В этом месте должна была быть шутка про небесную твердь, но, пожалуйста, придумайте ее сами.)

Нет, нельзя. Не зная дистанции до объекта, невозможно определить ни его размеры, ни энерговыделение — а значит, истинную природу. Квазар светимостью в десятки триллионов солнц, расположенный где-то 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 какой-нибудь тысяче световых лет от нас (не случайно те и другие раньше именовались туманностями). Когда астрономы только открыли гамма-всплески, они не могли понять, что это: то ли катаклизмы космического масштаба где-то в других галактиках, то ли… некие вспышки в атмосфере Земли. Такие яркие во всех смыслах примеры можно приводить бесконечно.

Не умея измерять расстояния до космических объектов, мы никогда не разобрались бы в том, что они представляют собой. Вот зачем нам нужны линейки и рулетки длиной в тысячи, миллионы и миллиарды световых лет.

Но и это еще не все. Вообразим, что с помощью эльфийской магии мы смогли бы изучить каждую отдельную галактику, не определяя расстояние до нее. Даже в этом случае нам потребовалась бы объемная карта, показывающая, какая галактика где расположена. И не только из естественного желания узнать, где что находится в дорогом мироздании. В трехмерном строении Вселенной — ключ к ее прошлому и управляющим ею законам. В том числе (но далеко не только) — к природе таинственной темной энергии.

Не случайно ее изучение — главная цель DESI, как явствует уже 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). Ускорять расширение пространства-времени — дело нелегкое, и, по оценкам космологов, на этот неведомый «акселератор» приходится около 70% всей энергии Вселенной.

Но что же темная энергия представляет собой? Гипотез по этому поводу множество, на любой вкус. Одни теоретики считают, что это энергия, присущая самому вакууму из-за непрерывного рождения и уничтожения виртуальных частиц. Другие винят во всем еще не открытые экспериментаторами поля. Третьи придумывают небесные тела с отталкивающей гравитацией (не пытайтесь повторить это в домашних условиях) или еще что-нибудь столь же экзотическое. Точного ответа не знает никто.

Но чем бы ни была темная энергия, ее свойства должны отразиться в трехмерном распределении галактик. Вот эти-то свойства и надеются выяснить сотрудники DESI и других аналогичных проектов. Когда мы больше узнаем о том, как работает темная энергия, станет яснее, что же она представляет собой. По крайней мере, ученые от души на это надеются.

Сквозь Вселенную с рулеткой

Итак, измерять расстояние до далеких галактик нужно. А как? Для этого используется знаменитый закон Хаббла. Он утверждает, что если галактика убегает от нас из-за расширения Вселенной со скоростью V, то расстояние r до нее равно r = V/H, где H — постоянная Хаббла. Интересный вопрос, как измерить эту «постоянную» (которая на самом деле зависит от времени), требует отдельного разговора. Давайте примем как данность, что она у нас уже есть. Тогда, зная скорость удаления галактики, мы можем вычислить расстояние до нее.

Правда, наблюдатели не могут непосредственно измерить эту скорость, но зато могут измерить красное смещение галактики, которое однозначно пересчитывается в скорость. Что это такое?

Вспомним, что свет — это электромагнитные волны разной длины. Самые короткие волны у фиолетового света (400 нанометров), самые длинные — у красного (800 нанометров). Но из-за расширения Вселенной пространство растягивается, и световые волны, испущенные далекими галактиками, растягиваются вместе с ним. Длина волны растет, иными словами, свет краснеет. Красное смещение — это величина, указывающая, насколько покраснел свет далекой галактики.

Лучший способ измерить красное смещение — получить спектр объекта. Но для этого нужны наблюдения высокого качества, а значит — большой телескоп, относительно яркие галактики и немалое наблюдательное время. Не говоря о такой мелочи, как спектрограф — прибор для изучения спектра (уж как водится, сложный и дорогой).

Обзор DESI — прекрасная иллюстрация этого тезиса. Для него используется телескоп диаметром 4 метра. Каждый участок неба наблюдается 20 минут. За пять лет будет охвачено более трети небесной сферы, и общее число галактик, попавших в поле зрения, будет исчисляться миллиардами, если не десятками миллиардов — но спектры планируется получить лишь для 35 миллионов галактик и 2,4 миллиона квазаров.

И, поверьте, это много. DESI — самый большой спектроскопический обзор галактик в истории. Именно это и означают слова о «самой большой трехмерной карте Вселенной». Чтобы обеспечить такой «валовый продукт», астрономам понадобился спектрограф, имеющий 5 тысяч отдельных оптических волокон, по которым распространяется свет. К каждому из них приставлен специальный робот, при повороте телескопа (то есть раз в 20 минут) устанавливающий новое положение волокна с точностью до 0,01 миллиметра. Настоящее чудо техники!

Естественным образом встает вопрос: нет ли варианта «для бедных» — с телескопом поменьше и без сложнейшего спектрографа? А вот галактик, наоборот, желательно охватить как можно больше. И да, он есть.

По данным обзора Pan-STARRS1 3π, астрономы определили красное смещение почти трех миллиардов объектов, среди которых — галактики (более миллиарда штук), квазары и обычные звезды. И это с телескопом диаметром всего 1,8 метра. Наблюдатели просто измерили блеск этих объектов в нескольких широких полосах спектра (для чего нужен не баснословно дорогой спектрограф, а сравнительно дешевые светофильтры). По этим данным они восстановили примерный вид спектра и вычислили красное смещение. Этот метод измерения красного смещения называется фотометрическим.

Но, как сказал бы дьявол, высовывающий рога из-под ковра, ничто не бесплатно. Правда, он требует пожертвовать не душой, а всего лишь точностью измерений. Фотометрический метод куда менее точен, чем спектроскопический. Это и понятно: ведь он дает не весь спектр, а лишь некоторую информацию о нем. Пробелы в ней приходится заполнять с помощью гипотез, но даже самая обоснованная гипотеза менее надежна, чем факт.

Подведем итоги. Фотометрическая трехмерная карта Вселенной по данным Pan-STARRS охватывает куда больше галактик, чем когда-либо сможет DESI. Но это достигается ценой меньшей точности в оценке расстояний от Земли до наблюдаемых объектов. Спектроскопический обзор DESI делается по принципу «лучше меньше, да лучше». То и другое — выдающиеся достижения, которые не конкурируют, а дополняют друг друга. Карты всякие нужны, карты всякие важны.

Заметим напоследок, что данные DESI, как и всякого большого обзора, будут использованы не только по прямому назначению. Ученые выжмут из них все, что только можно. Например, астрономы планируют поискать в центрах небольших галактик сверхмассивные черные дыры. До сих пор спорный вопрос, есть они там или нет, 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 как раз и не хватало, но теперь-то, надеются исследователи, хватит с лихвой. А еще ученые собираются изучить по данным DESI эволюцию квазаров и решить кучу других вопросов. Ответы на которые, как водится в науке, станут источником новых вопросов, и это-то и есть самое интересное.