Начало всего: как новый телескоп будет искать причины Большого взрыва

SPHEREx — это вольное сокращение слов Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer, что можно перевести как «Спектрофотометр для изучения истории Вселенной, эпохи реионизации и исследования льдов». За этим замысловатым названием кроется инструмент, обещающий ответы на самые волнующие вопросы «жизни, Вселенной и всего такого».

Он заглянет во времена Большого взрыва, а еще в эпоху первых галактик, проследит за судьбой воды и органики в рождающихся планетных системах.  

Невидимые лучи

Зрение SPHEREx начинается там, где заканчивается человеческое: с границы между красным светом и невидимыми инфракрасными волнами. Есть несколько резонов наблюдать Вселенную именно в инфракрасном диапазоне.

Во-первых, SPHEREx будет изучать объекты, которые плохо видны оптическим телескопам. Это формирующиеся звезды, излучающие мало света, и межзвездные газовые облака, не испускающие света совсем. Во-вторых, инфракрасное «зрение» позволит найти в этих облаках органику, воду и другие интересные вещества.

В-третьих, SPHEREx займется далекими галактиками, свет которых превратился в инфракрасные лучи из-за расширения Вселенной. Атмосфера сильно мешает инфракрасным наблюдениям. Поэтому новый телескоп и запустили в космос.

Разберемся теперь, что это за страшное слово «спектрофотометр». «Фотометр» означает всего лишь, что телескоп будет измерять яркость звезд, галактик и вообще всего, что ему доведется наблюдать. Ученые любят называть простые вещи сложными словами. Часть «спектро-» сигнализирует, что инструмент будет получать спектры. Инфракрасные лучи состоят из волн разной длины, как белый свет состоит из цветов радуги. Получить спектр звезды или галактики — значит, измерить ее яркость на разных длинах волн, образно говоря, в разных «цветах». SPHEREx будет наблюдать космос в 102 инфракрасных «цветах».

Спектры гораздо информативнее, чем обычные изображения. Именно благодаря спектрам можно определить состав небесных тел. Каждое вещество оставляет в спектре след — уникальный, как отпечатки пальцев. Еще по спектрам можно определить расстояния до галактик, составив трехмерную карту космоса. Naked Science подробно объяснял, как это делается.

SPHEREx рассчитан на два года работы. За это время он четырежды сделает обзор всего неба. Телескоп пронаблюдает почти 500 миллионов галактик и более 100 миллионов звезд Млечного Пути.

Но инструмент может проработать и гораздо дольше. У него нет движущихся частей, которые могут сломаться. Нет и жидкого охладителя, который рано или поздно закончился бы, как произошло с телескопом WISE. Два года — это обязательная программа, а не предел возможного.

Что взорвалось при Большом взрыве

Как следует из названия, SPHEREx будет изучать историю Вселенной. Каким образом?

Любой телескоп смотрит в прошлое. Каждую галактику мы видим такой, какой она была в момент испускания лучей, дошедших до телескопа. SPHEREx сможет разглядеть галактики, излучение которых добиралось до нас 10 миллиардов лет — почти три четверти возраста Вселенной. Однако астрономы надеются с помощью SPHEREx проникнуть в гораздо более давние времена, практически к моменту Большого взрыва.

У космологов до сих пор нет единого мнения, что же представлял собой Большой взрыв и что было его причиной. Чем ближе к моменту «начала всего», тем туманнее история Вселенной.

Наверное, самая популярная идея на этот счет — концепция космологической инфляции. Она состоит в том, что нынешнее расширение Вселенной — легкое дуновение, а некогда произошел настоящий шквал. Это взрывное расширение и называется инфляцией («раздуванием»).

Инфляция продолжалась краткие доли секунды, но за это время превратила микроскопическую область пространства во всю наблюдаемую нами Вселенную. Одновременно со взрывным расширением пространства из энергии возникала материя. Если отбросить тонкие детали, начало инфляции и есть Большой взрыв.

Инфляция объясняет многие свойства Вселенной, которые сложно объяснить без нее. Трудность в том, что нет единой теории инфляции. Есть множество конкурирующих теорий, в которых инфляция начинается по разным причинам, происходит с разной скоростью, а материя возникает из энергии разных полей.

Скептики критикуют идею инфляции как способную объяснить «что угодно», впрочем, обычно не предлагая разумных альтернатив. В то же время «инфляционисты» готовы проверить хоть сотню вариантов теории в надежде отыскать верный. SPHEREx может помочь им.

Говорят, что прошлое не проходит, а становится настоящим. Вот и нынешнее расположение галактик хранит следы космологической инфляции. Дело в том, что раздувание Вселенной происходило не совсем равномерно. По законам квантовой физики, вообще ничего не может идти совершенно одинаково во всех точках. Всегда будут крошечные неоднородности.

Поэтому материя, рождавшаяся в процессе инфляции, распределялась по космосу неравномерно. В момент начала инфляции эти «шероховатости» были микроскопическими, но к концу раздулись до космических масштабов. Остальное сделала гравитация. Где было больше материи, сильнее было и притяжение. Это тяготение добавляло новые порции вещества, и в конце концов образовались громадные скопления галактик.

Как выбрать правильный вариант теории? Шаг первый — вычислить, как должны быть разбросаны по космосу галактики, если исходить из разных сценариев инфляции. Шаг второй — нанести реальные галактики на трехмерную карту. Шаг третий — сравнить реальность с прогнозами и выбрать самый удачный.

Новый инструмент окажет в этом большую услугу. Для 490 миллионов галактик он определит красное смещение (читай: расстояние до Земли) с погрешностью менее 10%, а для 16 миллионов избранных галактик — вовсе с погрешностью 0,3%. «Большой и грубый» набор данных поможет проверить один аспект теории, а «маленький, но точный» — другой.

Ученые не надеются сразу же отыскать единственную верную модель. Но наблюдения SPHEREx по крайней мере помогут понять, сколько полей «виновны» в начале инфляции — одно или несколько.

По следам первых звезд

Новый телескоп поможет космологам еще одним способом. Он исследует не только отдельные галактики, но и фоновое излучение неба.

Большинство галактик слишком далеки или слишком малы, чтобы различить каждую из них в отдельности. Их лучи сливаются в общее свечение. По такому свечению не построишь точных карт, но все же можно кое-что понять о том, как галактики рассеяны по космосу.

Более того, фоновое излучение поможет заглянуть и во времена образования первых галактик. Специалисты полагают, что часть этих лучей бродит по космосу с тех самых времен.

Поясним подробнее. В первых галактиках возникали звезды и, вероятно, черные дыры. Те и другие испускали ультрафиолетовое излучение. (Если Вы недоумеваете, как черная дыра может излучать, прочтите подробное объяснение от Naked Science).

Ультрафиолетовые фотоны врезались в редкие атомы газа на просторах формирующихся галактик. Этим фотонам вполне хватало энергии, чтобы оторвать от атома электрон — другими словами, превратить атом в ион. Так что во времена первых звезд газ становится ионизированным. Но почему это называется реионизацией? Откуда «ре-»?

Дело вот в чем. Задолго до возникновения звезд Вселенная была так горяча, что не было никаких атомов, а только ионы. Электроны и ядра начали объединяться в атомы лишь через 300 000 лет после Большого взрыва. Постепенно космос остыл, и практически все электроны и ядра собрались в атомы. Лишь через сотни миллионов лет ультрафиолетовые лучи звезд и черных дыр начали производить ионы в космических масштабах.

«Но позвольте!» — мог бы воскликнуть читатель. SPHEREx — инфракрасный телескоп, при чем здесь ультрафиолетовые лучи? Дело в том, что ультрафиолет, испущенный более 13 миллиардов лет назад, из-за расширения Вселенной превратился… правильно, в инфракрасные волны! И SPHEREx, как Чип и Дейл, снова спешит на помощь.

Эликсир жизни

Изучить историю Вселенной — цель понятная и благородная. Но о каких льдах идет речь в названии телескопа?

В межзвездном пространстве встречаются холодные облака пыли и газа. Газ — это в основном водород и гелий, а вот пыль гораздо интереснее. На частицах твердых минералов намерзает лед, и не только водяной. В космическом холоде замерзает множество веществ.

Молекулы многих из них испускают инфракрасное излучение, доступное SPHEREx. Среди них — вода (H₂O), углекислый газ (CO₂), угарный газ (CO), аммиак (NH₃), метиловый спирт (CH₃OH) и так далее. Эти соединения очень интересны для тех, кто ищет внеземную жизнь. Без воды и органики невозможно представить себе ничего живого. Углекислый газ и аммиак — это не органика, но потенциальное «сырье» для ее производства: источник углерода и азота.

Конечно, в межзвездных облаках не может быть жизни. Но именно из них рождаются звезды и планеты. Это грандиозный и еще не до конца изученный процесс.

Сгущения газа размером в сотни световых лет дробятся на части, каждая из которых дает начало звезде. Гравитация постепенно стягивает вещество «в кучу» и формирует протозвезду. Протозвезда солнечной массы имеет огромные размеры по сравнению с Солнцем, хотя в сравнении с исходным межзвездным облаком выглядит точкой. Протозвезда уменьшается и уплотняется, пока от нее не остается молодая звезда и небольшой диск неизрасходованного материала вокруг нее. В таких дисках рождаются планеты, поэтому они называются протопланетными.

Что при этом происходит с ледяными оболочками межзвездных пылинок? Сколько раз испаряется и вновь замерзает вода и углекислый лед? Какова судьба хрупких органических молекул? Разрушаются ли они при возникновении протозвезд, протопланетных дисков, планет? Или, напротив, растут и усложняются?

Ответы на эти вопросы могут пролить свет на образование атмосферы и океанов, но самое важное — на зарождение жизни. Ведь понятно, что рецепт блюда под названием «жизнь» на космической кухне зависит от доступных ингредиентов.

Наши знания о судьбах космических льдов скудны. Астрономы накопили всего несколько сотен качественных спектров, запечатлевших «допланетные льды». Это слишком мало, чтобы изучить столь сложные и многоступенчатые процессы.

SPHEREx будет наблюдать множество межзвездных облаков, протозвезд и протопланетных дисков. Астрономы рассчитывают получить восемь-девять миллионов их спектров. С таким гигантским наблюдательным материалом судьба «ингредиентов жизни» станет гораздо понятнее.

Почему для этого нужен SPHEREx

Можно еще долго перечислять, чего ученые ждут от нового инструмента. Но что он может такого, чего не могут другие инфракрасные телескопы? Скажем, великолепный «Джеймс Уэбб», запущенный в 2021 году тем же NASA? Или работающий с 2023 года «Евклид», принадлежащий Европейскому космическому агентству?

Орбитальные обсерватории — слишком дорогое удовольствие, чтобы ограничиваться повторением пройденного. Если на инструмент выделили деньги, значит, он может что-то, чего еще не делал никто. Разберемся, что именно.

«Уэбб» превосходит SPHEREx по всем статьям, кроме одной: размера поля зрения. Он достигает своих превосходных характеристик именно потому, что тратит всю мощь на крошечные участки неба.

На борту «Уэбба» несколько камер, предназначенных для разных целей, но поля зрения у всех очень маленькие. Например, у прибора NIRIS — 2 × 2 угловые минуты. В такое окошко не поместилась бы и сотая доля лунного диска! А на полный обзор неба этой камере, пожалуй, понадобилось бы несколько столетий.

Дело «Уэбба» — тщательно изучать самые интересные объекты. Эти объекты отберет для него в том числе SPHEREx.

«Евклид» гораздо больше похож на SPHEREx: он тоже обозревает широкие участки неба. Поэтому два инструмента стоит сравнить подробнее. «Евклиду» предстоит обследовать только треть небесной сферы, а SPHEREx — всю. Кроме того, европейский инструмент работает в другом диапазоне. Он начинает с желтого света с длиной волны 0,55 микрометра и заканчивает инфракрасными волнами длиной два микрометра, причем спектры снимает в диапазоне 1,1-2 микрометра.

Спектральные «подписи» космических льдов начинаются около трех микрометров, оставаясь недоступными для «Евклида». А вот SPHEREx улавливает волны длиной от 0,75 до пяти микрометров и строит спектры во всем этом диапазоне.

С другой стороны, новый телескоп отстает от «Евклида» по чувствительности, то есть способности различать тусклые объекты. Поэтому «европеец» нанесет на собственную карту больше галактик, даже несмотря на то, что обозревает втрое меньший участок неба. Там же, где две карты перекрываются, их можно будет сличить между собой и тем самым проверить.

Разумеется, европейский и американский телескопы не соревнуются, а дополняют друг друга. Исследовать Вселенную — непростое дело, для этого нужно как можно больше инструментов с самыми разными возможностями.