Тисячоліттями людство по шматочках збирало атлас зоряного неба в єдине ціле. Завдяки відкриттю гравітаційних хвиль сьогодні ми можемо слухати » сигнали з космосу» і наносити на карту досі незвідані території. Як же люди робили це раніше?
Понад сто мільйонів років тому на останніх орбітах небесного танцю кружляли два надщільних небесних тіла-дві нейтронні зірки. Через кілька миттєвостей відбулося їх злиття на третині швидкості світла, що спровокувало вибух, настільки потужний, що його гравітаційне хвилювання відбилося у всьому Всесвіті. Наслідки цього катастрофічного зіткнення досягли Землі вранці 17 Серпня 2017 року. Гравітаційна «брижі» розтягнулася і стиснула простір і час при проходженні через лазерно-інтерферометричну гравітаційно-хвильову обсерваторію ( LIGO ), що дозволило нам виявити сигнал від давно неіснуючих нейтронних зірок.
Але це ще не все. Трохи більше двох секунд по тому з космічного вогню, який також був спровокований зіткненням, послідувала спалах світла. Її можна було спостерігати в телескопи. Це відкриття дало початок новій ері астрономії-вперше ми спостерігали космос за допомогою двох різних фізичних «посланників» одночасно: дивлячись на яскравий спалах від вибуху, а також слухаючи характерне «деренчання» гравітаційної хвилі.
Протягом тисячоліть ми інтенсивно вивчали і відображали Всесвіт, озброюючись все більш дорогими і складними телескопами. Тепер, коли гравітаційні хвилі стали для нас видимими, ми здатні «спостерігати» за такими темними космічними об’єктами як чорні діри, і навіть відкривати екзотичні небесні тіла, про існування яких навіть не підозрювали: наприклад, червоточини або бозонні зірки.
Як і стародавні дослідники космосу, ми знову стаємо піонерами астрономії, не знаючи, що відкриємо далі. Але у нас є вдосконалений інструментарій-набагато більш вражаючий, ніж те, що було у наших предків: примітивні телескопи або просто неозброєне око.
&Nbsp;
Перший погляд на зірки
Небесні вогні, що прикрашають наше небо, завжди захоплювали уяву людей самих різних культур. Дійсно, перші карти зафіксували саме візерунки нічного неба, а не земної поверхні.
Але що ми отримуємо, розглядаючи нічне небо? За словами Герхарда Візенфельдта, (Gerhard Wiesenfeldt), викладача історії та філософії науки в університеті Мельбурна, ми «прагнемо до розуміння тих недосяжних небесних тіл, які бачимо кожен день, включаючи спроби зрозуміти, як ці тіла вплинули на нас», а по-друге, «використовуємо нічне небо для практичних цілей».
Завдяки практиці вивчення руху небесних тіл, а саме визначенню планетарних циклів, сформувалася цивілізація-були винайдені годинник, пристрої спостереження, математичні алгоритми і передові методи обчислення.
Нічне небо можна уявити як небесну сферу, яка оточує нашу планету, з небесними широтами і довготами, що позначають координати. Подібно до того, як ми малюємо кордони між країнами на Землі, грунтуючись на знаннях в області політики і культури, ми поділяємо нічне небо на сузір’я, керуючись земним досвідом.
Найбільш відомі сузір’я пов’язані із Західною астрономічною традицією північної півкулі, багато з них беруть свій початок в грецькій і римській міфологіях. Йдеться про Велику Ведмедицю, Оріон і плеяді-майже у кожної Північної цивілізації є розповідь про ці сузір’я. Також слід згадати про пояс Зодіаку, який відкрили в середині I тисячоліття до нашої ери на Близькому Сході, і чия астрономічна система досі широко використовується в західній культурі.
Коли нічне небо все ще було нерозкритою таємницею і суцільною містикою, з’явилося безліч видів астрології, які стали свого роду сурогатом науки. Довгий час вони сприймалися як наукові пошуки, що включає точні вимірювання і записи астрономічних циклів.
Вид на сузір’я C північної півкулі (NASA).
Південні сузір’я були ідентифіковані і задокументовані такими стародавніми культурами як корінні жителі Австралії і Перуанські Інки. З культурою, що простягається на 60 000 років до нашої ери, австралійських тубільців, які довгий час використовували нічне небо для обчислення і навігації, охрестили «першими астрономами світу».
» Південне небо-це центр Галактики над головою, і тому ми спостерігаємо набагато більшу кількість яскравих зірок і темних плям», — говорить Брайан Пенпрейс (Bryan Penprase), професор науки в університеті Соки. Південна Астрономія унікальна в тому, що базується на спостереженні за темними плямами на небі на відміну від грецької традиції, яка має на увазі стеження за пересуванням зірок. Багато груп австралійських аборигенів бачили ці найтемніші плями, розкидані по Чумацькому Шляху, у вигляді контуру відпочиваючого страуса ему. Цей «небесний ему» змінював своє становище протягом року — або «біг», або «сидів» — тим самим сигналізуючи, що прийшов час полювати за ему або збирати яйця.
Це один з багатьох прикладів відмінних рис стародавньої астрономії: як пояснює Візенфельдт » » у багатьох цивілізацій були астрономічні знання, які вимагали систематичного довгострокового спостереження, що виходить за рамки одного людського життя».
Багато культур північної півкулі були навіть обізнані про прецесії рівнодень — астрономічному процесі, період якого становить майже 26 000 років і який полягає в поступовій зміні напрямку земної осі під впливом Місяця. Виявлення цього явища вимагало б спостережень за небом, принаймні, протягом тисячоліття.
Незважаючи на те, що сучасні технології зробили карти більш точними, Візенфельдт стверджує, що картографічне ремесло, «ймовірно, змінилося дуже мало» в порівнянні з древнім вивченням зірок, що заклав основу сучасної астрофізики.
&Nbsp;
Поява сучасних небесних карт
У минулому створення зоряного атласу було практичною необхідністю і містичним захопленням, в сучасну епоху — в значній мірі перетворилося на інтелектуальну цікавість. Візенфельдт підкреслює, що зірки для календарних цілей нам більше не потрібні, і щоб «визначити шлях, у нас є система GPS замість небесних спостережень». Тим не менш, світове наукове співтовариство тепер дозволяє нам створювати неймовірно докладні і всеосяжні карти Всесвіту.
Отже, як саме воно це роблять?
Щоб створити карту світу, ми можемо відвідати і досліджувати практично будь-яке місце на Землі. Але коли мова йде про карту неба, ми не можемо так просто взяти, стрибнути в ракету і пролетіти через весь космос. Замість цього ми покладаємося на «посланців», які подорожують до нас з віддалених куточків Всесвіту, щоб надати нам інформацію про те, звідки вони прийшли, і про ті об’єкти, які їх створили. Як правило, ці посланці являють собою фотони-крихітні частинки світла, що випромінюються такими небесними об’єктами як зірки.
Стародавні карти нічного неба представляли сферичну проекцію Землі з приклеєними до неї джерелами світла, без інформації про те, як далеко від кожної з цих зірок або галактик знаходиться Земля. Щоб відобразити розподіл зірок і галактик досконало, астрономам знадобилося створити Тривимірні карти.
всесвіт допомагає нам у цьому починанні: у міру того як вона розширюється, від нас віддаляються джерела світла, що посилають хвилі. При цьому виникає космологічне червоне зміщення : простою мовою, при віддаленні об’єктів світло від них стає більш червоним, що дозволяє астрономам визначати відстань, яку це світло подолав, і, отже, відстань до самого об’єкта. Оскільки чим далі джерело, тим довше світло буде летіти до нашої планети, ми можемо буквально дивитися в минуле і зіставляти те, як зараз виглядає всесвіт з тим, як вона виглядала, коли була молодшою.
Перша повна карта зоряного неба з супутника Планка. Проекція небесної сфери на двовимірний простір. На екваторі видно газ і пил Чумацького Шляху.
«Це робить сучасну астрономію однією з форм історії, — каже Пенпрейс, — оскільки ми можемо читати з зоряного світла, який існував мільярди років тому, повідомлення про наше походження».
Дослідження червоного зміщення центру астрофізики (CfA) стало першою спробою створити тривимірну структуру Всесвіту. Воно проводилося з використанням невеликого 1,5-метрового телескопа і включало в себе дослідження тисяч галактик з 1977 по 1982 рік. Цього виявилося достатньо, щоб побачити, що вони утворили складну модель з довгих ниткоподібних структур і порожніх вакуумів. Однак для створення повної 3D карти кількості досліджуваних галактик виявилося мало.
Тому, щоб правильно відобразити ці шаблони необхідно було мати не тільки тривимірну зйомку, але і ту, яка також містить багато галактик. Це завдання допоміг вирішити » Слоунівський цифровий Небесний огляд » SDSS) — проект широкомасштабного дослідження багатоспектральних зображень і спектрів червоного зміщення зірок і галактик за допомогою 2,5-метрового ширококутного телескопа в обсерваторії Апачі-Пойнт в штаті Нью-Мексико. Завдяки йому були отримані найбільш докладні Тривимірні карти зоряного неба.
Карта Всесвіту, створена Sloan Digital Sky Survey. Кожна точка відповідає окремій галактиці.
Більшість оглядових оптичних телескопів (наприклад, SDSS) дають можливість спостерігати за видимою довжиною хвиль — видом світла, зрозумілим людському оку. При його використанні проміжки між зірками і галактиками зазвичай будуть темними. Але чутливий радіотелескоп побачить слабке, але все ж відчутне фонове світіння в цих областях. Це і є реліктове випромінювання після Великого Вибуху, назване космічним мікрохвильовим фоном. Великий вибух, який нібито стався, коли Всесвіту було 380 000 років, зробив його найстарішим світлом у нашому Всесвіті. Це знімок світла, що надходить від гарячої, щільної плазми взаємодіючих протонів і електронів, дозволяє нам буквально дивитися в минуле. Планк-телескоп був побудований саме для цієї мети — створення найдетальнішої карти космічного мікрохвильового фону.
І хоча карти з високою роздільною здатністю, створені цим телескопом, дозволяють нам зрозуміти структуру Всесвіту протягом всієї її історії, деякі об’єкти, такі як чорні діри, не мають електромагнітного випромінювання, а це означає, що наші карти завжди залишалися б неповними, якби не гравітаційно-хвильова астрономія.
&Nbsp;
Вивчення незвіданої території за допомогою гравітаційних хвиль
Гравітаційні хвилі — це не просто приголомшливе відкриття самостійно-це інструмент, який ми можемо використовувати для вивчення нерозкритих астрофізичних таємниць.
«Гравітаційні хвилі не розсіюються і не поглинаються, коли проходять крізь матерію», пояснює Ендрю Мелатос (Andrew Melatos), професор астрофізики в Мельбурнському університеті і член наукового співробітництва LIGO . Таким чином, на відміну від світла, яке спотворюється при зіткненні з перешкодами у Всесвіті, гравітаційні хвилі ми можемо використовувати як» далекий зонд » космосу.
Експерти з нетерпінням чекають результатів цієї нової ери гравітаційно-хвильової астрономії та можливості виявити об’єкти, які раніше були невидимими для нас. Деякі з них вважають, що незабаром ми навіть зможемо спостерігати злиття чорної діри з нейтронною зіркою. «До тих пір, поки у нас є цивілізація, ми будемо шукати гравітаційні хвилі», — говорить Мелатос. Ця нова область настільки значна, що австралійський уряд інвестував у новий Центр досліджень під назвою OzGrav — співпраця вчених з усієї країни, створене для розвитку гравітаційно-хвильової астрономії.
Подібно до того, як космічний мікрохвильовий фон є відлунням електромагнітного випромінювання раннього Всесвіту, вчені також очікують знайти фон гравітаційного випромінювання. Він, ймовірно, виникне з двох різних джерел: перший — «астрофізичний» фон злиття чорних дір, які самі по собі занадто слабкі для виявлення, але все ж сприяють загальним сигналом гравітаційної хвилі, і другий — фон космологічної гравітаційної хвилі, який є гравітаційним аналогом мікрохвильової, за винятком того, що він виникає з процесів, які відбуваються ще далі в часі, що дозволяє нам досліджувати фізику ранніх моментів Всесвіту після Великого Вибуху.
Ще більше вражає гіпотеза про те, що гравітаційні хвилі здатні відобразити Всесвіт прямо в моменти її народження. В даний час ми не можемо бачити далі, ніж 380 000 років тому — тому що, коли фотони безцільно рухаються в густому тумані після Великого вибуху, їх випадкові шляхи стирають електромагнітну інформацію з того періоду.
Але гравітаційна інформація залишається недоторканою. І вчені мріють побачити нашу Всесвіт менш ніж через секунду після її народження.
Карта сигналу гравітаційних хвиль на небі. Лабораторія LIGO
На жаль, сигнал з первинного гравітаційного фону нібито буде значно нижче того, що ми можемо спостерігати в даний час за допомогою LIGO. Щоб безпосередньо виявити цей слабкий сигнал, нам потрібно побудувати надзвичайно потужний детектор гравітаційних хвиль.
Ми також могли б досліджувати первісні гравітаційні хвилі побічно, шукаючи їх відбитки на космічному мікрохвильовому тлі, який може нести в собі правдиву інформацію протягом наступного десятиліття.
Незважаючи на тисячоліття людських зусиль, робота над атласом нашого Всесвіту далека від завершення. Багато секретів залишаються секретами, деякі з яких ми тільки зараз починаємо розкривати за допомогою сили гравітаційних хвиль. І не збираємося зупиняється на досягнутому-адже є ще й інші «посланці» крім гравітаційних і електромагнітних хвиль, такі як космічні нейтрино . Адже Слухати космос-це постійна одержимість людства, і навряд чи ми скоро зупинимося.
За матеріалами Lateralmag .