Тысячелетиями человечество по кусочкам собирало атлас звездного неба в единое целое. Благодаря открытию гравитационных волн сегодня мы можем слушать «сигналы из космоса» и наносить на карту доселе неизведанные территории. Как же люди делали это раньше?
Более ста миллионов лет назад на последних орбитах небесного танца кружились два сверхплотных небесных тела — две нейтронные звезды. Спустя несколько мгновений произошло их слияние на трети скорости света, что спровоцировало взрыв, настолько мощный, что его гравитационное волнение отразилось во всей Вселенной. Последствия этого катастрофического столкновения достигли Земли утром 17 августа 2017 года. Гравитационная «рябь» растянулась и сжала пространство и время при прохождении через лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию (LIGO), что позволило нам обнаружить сигнал от давно несуществующих нейтронных звезд.
Но это еще не все. Чуть более двух секунд спустя из космического огня, который также был спровоцирован столкновением, последовала вспышка света. Ее можно было наблюдать в телескопы. Это открытие дало начало новой эре астрономии — впервые мы наблюдали космос посредством двух разных физических «посланников» одновременно: глядя на яркую вспышку от взрыва, а также слушая характерное «дребезжание» гравитационной волны.
В течение тысячелетий мы интенсивно изучали и отображали вселенную, вооружаясь все более дорогими и сложными телескопами. Теперь, когда гравитационные волны стали для нас видимыми, мы способны «наблюдать» за такими темными космическими объектами как черные дыры, и даже открывать экзотические небесные тела, о существовании которых даже не подозревали: например, червоточины или бозонные звёзды.
Как и древние исследователи космоса, мы снова становимся пионерами астрономии, не зная, что откроем дальше. Но у нас есть усовершенствованный инструментарий — гораздо более впечатляющий, чем то, что было у наших предков: примитивные телескопы или просто невооруженный глаз.
Первый взгляд на звезды
Небесные огни, украшающие наше небо, всегда захватывали воображение людей самых разных культур. Действительно, первые карты зафиксировали именно узоры ночного неба, а не земной поверхности.
Но что мы получаем, рассматривая ночное небо? По словам Герхарда Визенфельдта, (Gerhard Wiesenfeldt), преподавателя истории и философии науки в Университете Мельбурна, мы «стремимся к пониманию тех недостижимых небесных тел, которые видим каждый день, включая попытки понять, как эти тела повлияли на нас», а во-вторых, «используем ночное небо для практических целей».
Благодаря практике изучения движения небесных тел, а именно определению планетарных циклов, сформировалась цивилизация — были изобретены часы, устройства наблюдения, математические алгоритмы и передовые методы вычисления.
Ночное небо можно представить как небесную сферу, которая окружает нашу планету, с небесными широтами и долготами, обозначающими координаты. Подобно тому, как мы рисуем границы между странами на Земле, основываясь на знаниях в области политики и культуры, мы разделяем ночное небо на созвездия, руководствуясь Земным опытом.
Наиболее известные созвездия связаны с западной астрономической традицией северного полушария, многие из них берут свое начало в греческой и римской мифологиях. Речь идет о Большой Медведице, Орионе и Плеяде — почти у каждой Северной цивилизации имеется рассказ об этих созвездиях. Также следует упомянуть о поясе Зодиака, который открыли в середине I тысячелетия до нашей эры на Ближнем Востоке, и чья астрономическая система до сих пор широко используется в западной культуре.
Когда ночное небо все еще было нераскрытой тайной и сплошной мистикой, появилось множество видов астрологии, которые стали своего рода суррогатом науки. Долгое время они воспринимались как научные поиски, включающее точные измерения и записи астрономических циклов.
Вид на созвездия c северного полушария (NASA).
Южные созвездия были идентифицированы и задокументированы такими древними культурами как коренные жители Австралии и перуанские Инки. С культурой, простирающейся на 60 000 лет до нашей эры, австралийских туземцев, долгое время использовавших ночное небо для времяисчисления и навигации, окрестили «первыми астрономами мира».
«Южное небо — это центр Галактики над головой, и поэтому мы наблюдаем гораздо большее количество ярких звезд и темных пятен», — говорит Брайан Пенпрэйс (Bryan Penprase), профессор науки в Университете Соки. Южная астрономия уникальна в том, что базируется на наблюдении за темными пятнами на небе в отличие от греческой традиции, которая подразумевает слежение за передвижением звезд. Многие группы австралийских аборигенов видели эти самые темные пятна, разбросанные по Млечному Пути, в виде контура отдыхающего страуса эму. Этот «небесный эму» менял свое положение в течение года — либо «бежал», либо «сидел» — тем самым сигнализируя, что пришло время охотиться за эму или собирать яйца.
Это один из многих примеров различительных особенностей древней астрономии: как объясняет Визенфельдт, «у многих цивилизаций были астрономические знания, которые требовали систематического долгосрочного наблюдения, выходящего за рамки одной человеческой жизни».
Многие культуры северного полушария были даже осведомлены о прецессии равноденствий — астрономическом процессе, период которого составляет почти 26 000 лет и который заключается в постепенном изменении направления земной оси под влиянием Луны. Обнаружение этого явления потребовало бы наблюдений за небом, по крайней мере, в течение тысячелетия.
Несмотря на то, что современные технологии сделали карты более точными, Визенфельдт утверждает, что картографическое ремесло, «вероятно, изменилось очень мало» по сравнению с древним изучением звезд, заложившим основу современной астрофизики.
Появление современных небесных карт
В прошлом создание звездного атласа было практической необходимостью и мистическим увлечением, в современную эпоху — в значительной степени превратилось в интеллектуальное любопытство. Визенфельдт подчеркивает, что звезды для календарных целей нам больше не нужны, и чтобы «определить путь, у нас есть система GPS вместо небесных наблюдений». Тем не менее, мировое научное сообщество теперь позволяет нам создавать невероятно подробные и всеобъемлющие карты Вселенной.
Итак, как именно оно это делают?
Чтобы создать карту мира, мы можем посетить и исследовать практически любое место на Земле. Но когда речь идет о карте неба, мы не можем так просто взять, прыгнуть в ракету и пролететь через весь космос. Вместо этого мы полагаемся на «посланников», путешествующих к нам из отдаленных уголков Вселенной, чтобы предоставить нам информацию о том, откуда они пришли, и о тех объектах, которые их создали. Как правило, эти посланники представляют собой фотоны — крошечные частицы света, излучаемые такими небесными объектами как звезды.
Древние карты ночного неба представляли сферическую проекцию Земли с приклеенными к нее источниками света, без информации о том, как далеко от каждой из этих звезд или галактик находится Земля. Чтобы отобразить распределение звезд и галактик в совершенстве, астрономам понадобилось создать трехмерные карты.
Вселенная помогает нам в этом начинании: по мере того как она расширяется, от нас отдаляются источники света, посылающие волны. При этом возникает космологическое красное смещение: простым языком, при отдалении объектов свет от них становится более красным, что позволяет астрономам определять расстояние, которое этот свет преодолел, и, следовательно, расстояние до самого объекта. Поскольку чем дальше источник, тем дольше свет будет лететь до нашей планеты, мы можем буквально смотреть в прошлое и сопоставлять то, как сейчас выглядит вселенная с тем, как она выглядела, когда была моложе.
Первая полная карта звездного неба со спутника Планка. Проекция небесной сферы на двумерное пространство. На экваторе видны газ и пыль Млечного пути.
«Это делает современную астрономию одной из форм истории, — говорит Пенпрэйс, — поскольку мы можем читать из звездного света, который существовал миллиарды лет назад, сообщения о нашем происхождении».
Исследование красного смещения Центра астрофизики (CfA) стало первой попыткой создать трехмерную структуру Вселенной. Оно проводилось с использованием небольшого 1,5-метрового телескопа и включало в себя исследование тысяч галактик с 1977 по 1982 год. Этого оказалось достаточно, чтобы увидеть, что они образовали сложную модель из длинных нитевидных структур и пустых вакуумов. Однако для создания полной 3D карты количества исследуемых галактик оказалось мало.
Поэтому, чтобы правильно отобразить эти шаблоны необходимо было иметь не только трехмерную съемку, но и ту, которая также содержит много галактик. Эту задачу помог разрешить «Слоуновский цифровой небесный обзор» (SDSS) — проект широкомасштабного исследования многоспектральных изображений и спектров красного смещения звёзд и галактик при помощи 2,5-метрового широкоугольного телескопа в обсерватории Апачи-Пойнт в штате Нью-Мексико. Благодаря ему были получены наиболее подробные трехмерные карты звездного неба.
Карта вселенной, созданная Sloan Digital Sky Survey. Каждая точка соответствует отдельной галактике.
Большинство обзорных оптических телескопов (например, SDSS) дают возможность наблюдать за видимой длиной волн — видом света, понятным человеческому глазу. При его использовании промежутки между звездами и галактиками обычно будут темными. Но чувствительный радиотелескоп увидит слабое, но но все же ощутимое фоновое свечение в этих областях. Это и есть реликтовое излучение после Большого Взрыва, названное космическим микроволновым фоном. Большой Взрыв, который предположительно произошел, когда Вселенной было 380 000 лет, сделал его самым старым светом в нашей Вселенной. Это снимок света, исходящий от горячей, плотной плазмы взаимодействующих протонов и электронов, позволяет нам буквально смотреть в прошлое. Планк-телескоп был построен именно для этой цели — создания самой подробной карты космического микроволнового фона.
И хотя карты с высоким разрешением, созданные этим телескопом, позволяют нам понять структуру Вселенной на протяжении всей ее истории, некоторые объекты, такие как черные дыры, не имеют электромагнитного излучения, а это означает, что наши карты всегда оставались бы неполными — если бы не гравитационно-волновая астрономия.
Изучение неизведанной территории с помощью гравитационных волн
Гравитационные волны — это не просто потрясающее открытие само по себе — это инструмент, который мы можем использовать для изучения нераскрытых астрофизических тайн.
«Гравитационные волны не рассеиваются и не поглощаются, когда проходят сквозь материю», объясняет Эндрю Мелатос (Andrew Melatos), профессор астрофизики в Мельбурнском университете и член Научного сотрудничества LIGO. Таким образом, в отличие от света, который искажается при столкновении с препятствиями во Вселенной, гравитационные волны мы можем использовать как «дальний зонд» космоса.
Эксперты с нетерпением ожидают результатов этой новой эры гравитационно-волновой астрономии и возможности обнаружить объекты, которые ранее были невидимыми для нас. Некоторые из них полагают, что вскоре мы даже сможем наблюдать слияние черной дыры с нейтронной звездой. «До тех пор, пока у нас есть цивилизация, мы будем искать гравитационные волны», — говорит Мелатос. Эта новая область настолько значительна, что австралийское правительство инвестировало в новый центр исследований под названием OzGrav — сотрудничество ученых со всей страны, созданное для развития гравитационно-волновой астрономии.
Подобно тому, как космический микроволновый фон является отголоском электромагнитного излучения ранней Вселенной, ученые также ожидают найти фон гравитационного излучения. Он, вероятно, возникнет из двух разных источников: первый — «астрофизический» фон слияния черных дыр, которые сами по себе слишком слабы для обнаружения, но все же способствуют общему сигналу гравитационной волны, и второй — фон космологической гравитационной волны, который является гравитационным аналогом микроволновой, за исключением того, что он возникает из процессов, которые происходят еще дальше во времени, что позволяет нам исследовать физику ранних моментов Вселенной после Большого Взрыва.
Еще больше поражает гипотеза о том, что гравитационные волны способны отобразить вселенную прямо в моменты ее рождения. В настоящее время мы не можем видеть дальше, чем на 380 000 лет назад — потому что, когда фотоны бесцельно перемещаются в густом тумане после Большого взрыва, их случайные пути стирают электромагнитную информацию с того периода.
Но гравитационная информация остается нетронутой. И ученые мечтают увидеть нашу вселенную менее чем через секунду после ее рождения.
Карта сигнала гравитационных волн на небе. Лаборатория LIGO
К сожалению, сигнал из первичного гравитационного фона предположительно будет значительно ниже того, что мы можем наблюдать в настоящее время с помощью LIGO. Чтобы непосредственно обнаружить этот слабый сигнал, нам нужно построить чрезвычайно мощный детектор гравитационных волн.
Мы также могли бы исследовать первобытные гравитационные волны косвенно, ища их отпечатки на космическом микроволновом фоне, который может нести в себе правдивую информацию в течение следующего десятилетия.
Несмотря на тысячелетия человеческих усилий, работа над атласом нашей вселенной далека от завершения. Многие секреты остаются секретами, некоторые из которых мы только сейчас начинаем раскрывать с помощью силы гравитационных волн. И не собираемся останавливается на достигнутом — ведь есть еще и другие «посланники» помимо гравитационных и электромагнитных волн, такие как космические нейтрино. Ведь слушать космос — это постоянная одержимость человечества, и вряд ли мы скоро остановимся.
По материалам Lateralmag.