Туманность Лагуна. Кредит: NASA, ESA, STSCI
Начиная с сегодняшнего дня, Земля будет проходить через метеоритный дождь. Но в астрономии человеческий глаз — очень ограниченный инструмент. Но все более мощные инструменты позволяют нам заглядывать все глубже в космос и все дальше назад во времени, проливая новый свет на происхождение Вселенной.
Сегодня ученые могут наблюдать экзопланету, вращающуюся вокруг своей звезды, отдельную галактику и даже всю вселенную. «Вселенная на самом деле в основном представляет собой пустое пространство», — говорит Жан-Поль Кнайб, профессор Лаборатории астрофизики EPFL. «Не так уж много скрыто».
Главное — знать, что вы ищете, построить правильный инструмент и смотреть в правильном направлении. А затем провести небольшую уборку.
«Наша галактика находится на переднем плане нашего поля зрения, блокируя наш обзор за ее пределами», — объясняет Кнайб. «Поэтому, если мы хотим, например, составить карту водорода в ранней Вселенной, нам сначала нужно смоделировать весь этот передний план, а затем удалить его из наших изображений, пока мы не получим сигнал в миллион раз меньший, чем тот, который испускается Млечным Путем».
Галилей мог нарисовать только то, что он видел в свой телескоп. Но сегодня астрономы могут видеть вселенную во всей ее полноте, вплоть до ее самого начала. Это во многом благодаря быстрому прогрессу в используемых ими инструментах. И в ближайшие годы ожидаются новые разработки.
Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), запущенный в декабре 2021 года, нацелен на наблюдение за событиями, которые произошли 13 миллиардов лет назад, когда формировались первые звезды и галактики. Радиотелескоп Square Kilometre Array (SKA), который в настоящее время находится в стадии строительства и должен быть завершен к концу десятилетия, заглянет еще дальше в прошлое, во времена, когда не было звезд, а космос содержал в основном водород — элемент, который составляет 92% всех атомов во Вселенной.
«Простой способ обнаружить этот газ — работать в радиочастотном диапазоне, что и будет делать SKA», — говорит Кнайб. «Цель — обнаружить сигнал в миллион раз меньший, чем фоновые сигналы».
Еще один проект в разработке — Laser Interferometer Space Antenna (LISA), которой руководит Европейское космическое агентство (ESA). Запуск антенны запланирован на 2035 год. Она будет наблюдать за гравитационными волнами, проливая свет на рост черных дыр и, возможно, волн, возникших сразу после Большого взрыва.
Игра в цифровое догоняющее
Эти новые инструменты не были бы столь поучительны без достижений в других областях. «Пока все обстоит так, у нас нет программного обеспечения для обработки данных с SKA», — говорит Кнайб, который уверен, что мы в конечном итоге доберемся до этого благодаря прогрессу в компьютерной и вычислительной науке, искусственном интеллекте (ИИ) и вычислительной мощности. ИИ бесценен для сортировки огромных объемов данных, чтобы найти интересную аномалию и для расчета массы галактик, например.
«Ученые могут использовать эффект гравитационного линзирования, при котором большой объект преломляет свет от удаленного источника, чтобы вычислить массу скоплений галактик с точностью до одного процента, как если бы они использовали шкалу», — объясняет Кнайб. «И мы можем обучить модели ИИ выявлять искажения на изображениях, вызванные гравитационными линзами. Учитывая, что во Вселенной, вероятно, 200 миллиардов галактик, это огромная помощь — даже если мы можем измерить массу только одной галактики из каждой тысячи».
Но отображают ли изображения, которые мы видим, то, что на самом деле там? Знаменитое изображение, опубликованное в 2019 году, показало кольцо света в форме пончика, окружающее черную дыру. Увидим ли мы это кольцо, если приблизимся к нему?
«Это не было оптической фотографией», — говорит Кнайб. «Это была чисто цифровая визуализация. Чтобы точно наблюдать сигналы миллиметровой длины волны, испускаемые черной дырой, ученым пришлось объединить несколько наземных телескопов, чтобы создать один размером примерно с земной шар. Затем изображение было реконструировано с помощью интерферометрии [метод измерения с использованием интерференции волн].
«Но изображение, тем не менее, представляет собой реальный сигнал, связанный с количеством материи в пылевом облаке, окружающем черную дыру. Проще говоря, темная часть — это черная дыра, а более светлая часть — это материя, вращающаяся вокруг нее».
Видение в четырех измерениях
«Вычисления — это только часть уравнения в астрономии. Вам нужно уметь визуализировать вещи, что также поможет вам проверить правильность ваших расчетов», — говорит Кнайб, который способен читать величественное изображение туманности Лагуна, расположенной на расстоянии 4000 световых лет от нас, словно книгу.
«Это изображение было получено с использованием оптических наблюдений на разных длинах волн для изображения различных газов. Конечно, в улучшении цветов была задействована некоторая доля искусства. Но изображение также имеет большое значение для физиков. Цвета указывают на присутствие различных газов: красный для водорода, синий для кислорода и зеленый для азота. Компактные черные области содержат большое количество пыли. Обычно это области, где образуются звезды».
Визуализация особенно важна при наблюдении за объектами в более чем двух измерениях. «Изучая космос в трех измерениях, мы можем измерить расстояние между небесными объектами», — говорит Кнайб.
В начале апреля ученые, работающие над проектом Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), включая астрофизиков из EPFL, объявили, что создали самую большую в истории трехмерную карту галактик и квазаров Вселенной.
Но это еще не все: исследователи также изучают Вселенную в четвертом измерении — времени — и тем самым открывают невероятные возможности для наблюдения ярких, но мимолетных явлений. «Например, мы до конца не понимаем происхождение быстрых радиовсплесков — невероятно ярких всплесков электромагнитного излучения, которые длятся максимум несколько секунд, а иногда и доли миллисекунды», — говорит Кнейб.
Найдём ли мы когда-нибудь жизнь на экзопланете? Кнейб отвечает: «С помощью инфракрасной интерферометрии вполне реальна перспектива, что мы сможем сфотографировать планету, вращающуюся вокруг другой звезды. Изображение, вероятно, будет размытым, но мы сможем наблюдать и охарактеризовать такие особенности, как облака и структурные особенности. вариации на поверхности планеты. Это определенно возможно, может быть, через 20 или 30 лет».
Однако когда дело доходит до некоторых фундаментальных вопросов, мы вряд ли найдем ответы только с помощью изображений. Почему Вселенная расширяется с ускорением? Это из-за темной энергии? Почему 80% материи невидимо? Неужели мы совершенно ошибаемся насчет гравитации? Будущие поколения астрофизиков будут пристально смотреть в небо или прикованы к экранам, пытаясь разгадать глубочайшие загадки нашей Вселенной.
Предоставлено Федеральной политехнической школой Лозанны
