Читать книгу: «Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи», страница 6

6. Космическая картография

Надпись на спине черной футболки директора Большого обзорного телескопа (Large Synoptic Survey Telescope, LSST) Стива Кана гласит: «Национальный научный фонд, обсерватория имени Веры Рубин» (NSF Vera C. Rubin Observatory). Сейчас 6 января 2020 года, и Кан в первый раз показался в этой футболке на публике. Сегодня руководитель отделения астрономических наук Национального научного фонда США Ральф Гом официально объявил на 235-й конференции Американского астрономического общества в Гонолулу новое название Большого обзорного телескопа. Вскоре почти на всех сотрудниках были такие футболки.

Это не единственное новое название, объявленное Гомом в стенах аудитории 301 Гавайского конгресс-центра. Да, обсерватория на севере Чили названа в честь Веры Рубин, «получившей важные свидетельства существования темной материи» – так сказано в соответствующем пресс-релизе Национального научного фонда. Но, кроме того, мощный телескоп этой обсерватории будет отныне называться «Обзорным телескопом имени Симони» в честь одного из первых частных спонсоров проекта. Наконец, не обойдут вниманием и тех астрономов, которые привыкли к четырехбуквенной аббревиатуре LSST: отныне научная программа телескопа будет назваться Legacy Survey of Space and Time («Дальнейший обзор пространства и времени»)¹.

Вера Рубин могла бы этим гордиться. Хотя телескоп Симони с 8,4-метровым главным зеркалом и не будет крупнейшим в мире, но уж точно будет «самым шустрым». Его 3,2-гигапиксельный глаз – самая большая из когда-либо созданных цифровых камер – будет полностью просматривать всю видимую над обсерваторией часть неба три раза в неделю. С помощью специально разработанных алгоритмов в этом колоссальном массиве данных – около 20 терабайт за ночь – астрономы будут искать сближающиеся с Землей астероиды, еле заметные вспышки сверхновых и множество других транзиентных объектов ¹¹ в окрестностях нашей Галактики и в далеких уголках Вселенной.

А самое главное – обзор LSST сможет пролить свет на ряд загадок темной материи и темной энергии. Эта программа, по словам Кана, «позволит кардинально улучшить наше понимание Вселенной». Так что, кто знает, быть может, именно этому инструменту суждено получить окончательное решение загадки темной материи. Ведь когда астроном Энтони Тайсон впервые предложил концепцию нового исполинского инструмента, то назвал его «Телескоп для темной материи» (Dark Matter Telescope).

Это было в 1996 году. Тайсон – в то время сотрудник Лабораторий Белла в Мюррей-Хилл (штат Нью-Джерси) – стал одним из ведущих мировых специалистов по изучению слабого гравитационного линзирования – тонкого эффекта, состоящего в слабом искажении изображений далеких галактик под влиянием силы тяготения более близких объектов (мы вернемся к теме гравитационного линзирования в главе 13). Тайсон понял, что если зарегистрировать и с высокой точностью замерить эти тонкие эффекты по всему небу, то на основе полученных результатов можно определить распределение гравитирующей материи – как видимой, так и темной – на всем протяжении пространства и времени. Вот так и возникла концепция Телескопа для темной материи.

Прошло некоторое время, прежде чем начались работы по созданию инструмента, но проект получил большую поддержку в 2008 году, когда ведущий разработчик программного обеспечения компании Microsoft, космический турист и миллиардер Чарльз Симони от имени Фонда искусств и наук Чарльза и Лизы Симони пожертвовал 20 миллионов долларов для будущего Большого обзорного телескопа. Еще 10 миллионов долларов добавил Билл Гейтс. Спустя два года в Десятилетнем обзоре (Decadal Survey) Национальной академии наук США LSST был назван одним из приоритетных проектов создания новых наземных астрономических инструментов, а в 2014 году Национальный научный фонд США получил оставшуюся часть финансирования для этого футуристического телескопа. Исполинскую камеру предстояло создать Национальной ускорительной лаборатории SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory Center) министерства энергетики США. 14 апреля 2015 года на традиционной церемонии президент Чили Мишель Бачелет заложила первый камень в строительство нового комплекса на горе под названием Серро-Пачон. Получение первого света ожидается в июле 2024 года.

Вершина Серро-Пачон расположена в гористой местности к востоку от чилийского приморского города Ла-Серена. Там находятся несколько профессиональных обсерваторий, включая Межамериканскую обсерваторию Серро-Тололо, обсерваторию Лас-Кампанас и европейскую обсерваторию Ла-Силья. Тут по большей части безоблачное небо, устойчивая и сухая атмосфера и минимум засветки – рай для астрономов. В последние десятилетия эта территория превратилась в настоящую Мекку для астротуристов. Специальными указателями отмечен Звездный маршрут (Ruta de las Estrellas) со множеством общественных обсерваторий и прочих мест, где можно полюбоваться на звездное небо.

Проще всего сюда добраться по автостраде номер 41, ведущей от тихоокеанского побережья на восток в покрытую довольно пышной растительностью долину Эльки. Но в конце июня 2019 года я еду на своем пикапе-внедорожнике по пустынной горной дороге номер D‑595, не спеша двигаясь на север от городка Само-Альто и через памятник природы Пичаса. Это изумительная поездка среди гряды холмов, где местами встречаются небольшие поросшие растительностью участки и пересекающие дорогу глубокие долины².

И вдруг между деревнями Серон и Уртадо мне на мгновение открывается великолепный вид на обсерваторию LSST, расположенную на горной гряде на севере. Рядом со зданием обсерватории виден возвышающийся над землей кран – строительство телескопа идет полным ходом. Это не дальше 10 километров, но, чтобы туда добраться, придется проехать еще 100 километров большей частью по крутым посыпанным гравием серпантинам.

Я проезжаю горы Кордон-Паранао, через город Викуна, где туристический бизнес уже готовится к наплыву тысяч желающих посмотреть 2 июля на полное солнечное затмение. Оттуда 15 минут езды до пропускного пункта Пуэрта в начале извилистой грунтовой дороги, ведущей на гору Серро-Пачон, где также расположены 8-метровый телескоп «Джемини-Юг» и 4,1-метровый Южный астрофизический телескоп (Southern Astrophysical Research Telescope)³.

Когда я наконец добрался до вершины на высоте 2700 метров над уровнем моря, то был ошарашен уже самим размером телескопа LSST. Цилиндрический корпус телескопа («Да, мы называем это куполом», – говорит мне начальник строительства Эдуардо Серрано) еще имеет вид открытой стельной конструкции высотой с девятиэтажный дом. Но изящная многоуровневая нижняя часть исполинского сооружения, спроектированная так, чтобы свести к минимуму турбулентные движения воздуха, уже готова. Пока что пустующий пункт управления телескопом на верхнем этаже здания представляет собой импровизированную контору с укрытием и столовой для строителей. На нижнем уровне расположены изготовленные немецкими специалистами камеры для нанесения отражающего покрытия на зеркала телескопа. Через три недели после моей поездки на 3,4-метровое вторичное зеркало телескопа LSST будет нанесен тонкий слой серебра. Огромное 8,4-метровое главное зеркало прибыло на гору в мае 2019 года и будет покрыто слоем алюминия позднее.

По словам Серрано, сама конструкция телескопа уже изготовлена в Испании и готова к отправке в Чили, куда ее доставят, когда завершится строительство купола. «Итальянская компания, занятая строительством купола, отстает от графика на два года», – жалуется он, глядя на недостроенное сооружение на фоне ясного голубого неба. За неимением телескопа мы обходим с ним гигантскую полую опору диаметром 16 метров, на которую предстоит установить 350-тонный инструмент. Серрано с гордостью показывает мне огромный лифт, на котором зеркала будут спускать вниз всякий раз, когда потребуется обновить их отражающее покрытие.

Беспрецедентно детальная съемка с полным охватом всей видимой на обсерватории части неба три раза в неделю позволит не только лучше понять распределение массы во Вселенной и обнаружить возможные места расположения темной материи, но и почти наверняка получить множество других результатов. Во всяком случае, так было со всеми крупными обзорами неба со времен Кейпского фотографического обозрения Джилла и Каптейна и созданного в середине XX века Паломарского обзора неба, состоящего почти из 2000 фотопластинок с изображениями ночного неба. Первых «космических топографов» в основном интересовало распределение звезд на небе, а с тех пор цели несколько изменились – стоит задача установить распределение галактик во Вселенной. Желательно в трех измерениях. А если добавить еще и время – то в четырех.

Так будет выглядеть обсерватория имени Веры К.

Рубин на горе Серро-Пачон в Чили

Астрономы сперва пытались строить карту распределения галактик вручную и на глаз. Начиная с 1948 года Дональд Шейн и Карл Виртанен целых 11 лет кропотливо выискивали и пересчитывали изображения галактик на 1390 фотографических пластинках, отснятых на 20-дюймовом двойном астрографе Карнеги в Ликской обсерватории на горе Гамильтон в Калифорнии. Выполненный ими статистический анализ распределения галактик на небе был опубликован лишь в 1967 году, и лишь еще 10 лет спустя Майкл Селднер вместе с Берни Зиберсом, Эдом Гротом и Джимом Пиблсом создали на основе подсчетов галактик потрясающую картину⁴. На построенной ими «Карте миллиона галактик», украсившей стены астрономических учреждений во всем мире, видна сложная волокнистая структура – наглядная иллюстрация того, что крупномасштабное распределение галактик во Вселенной не однородное, в клочковатое – факт, еще задолго до них установленный статистическими методами. Как это все получилось?

Двумерная карта дает весьма ограниченную информацию. В конце концов, это просто проекция трехмерной реальности – галактики, расположенные близко друг к другу на небе, на самом деле могут находиться на совершенно разных расстояниях. Чтобы превратить двухмерную карту в трехмерную, надо знать не только положения галактик на небе (то есть небесный эквивалент земных долготы и широты), но также и то, насколько они удалены от нас: нужно знать их положение в третьем измерении.

В принципе это нетрудно. Вспомним, что наблюдаемое распределение излучения очень далекой галактики смещено в красную сторону спектра из-за описанного в главе 3 расширения Вселенной. По величине красного смещения можно определить, насколько удалена от нас та или иная галактика. Но на практике определение расстояний до далеких галактик требует больших усилий и времени. По одной фотографии можно определить положение на небе сразу тысяч галактик, но для измерения красных смещений надо навести спектрограф по очереди на каждую исследуемую систему. К тому же для получения спектра требуется гораздо более длительная экспозиция, чем для съемки изображения.

В 1977-м – том самом году, когда была опубликована «Карта миллиона галактик», – ученик Пиблса Марк Дэвис из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже (штат Массачусетс) принял вызов. Вместе со своими коллегами Джоном Хакрой, Дэвидом Латэмом и Джоном Тори Дэвисом измерил красные смещения и определил соответствующие расстояния до 2400 галактик в пределах довольно узкой полоски на небе. Опытный наблюдатель Хакра почти все спектры получил на 1,5-метровом телескопе на горе Маунт-Хопкинс в штате Аризона с помощью спектрографа, созданного при участии Стивена Шехтмана из Института Карнеги.

Создание этого пионерского обзора красных смещений заняло пять лет. Полученная карта «среза Вселенной», опубликованная в 1982 году, представляла собой трехмерное распределение галактик в тонком 135-градусном «клине» до расстояний около 600 миллионов световых лет ⁵. Из этой карты стало очевидно, что галактики концентрируются вдоль относительно тонких стенок, окружающих огромные пустоты, в которых почти ничего нет. Более подробные исследования особенностей «кучкования» галактик должны были дать представление о процессе образования крупномасштабной структуры Вселенной. О том, что же запустило этот процесс. О темной материи.

Джон Хакра загорелся этой мыслью. Вместе с Маргарет Геллер – коллегой из Гарварда и еще одной ученицей Пиблса – и французским астрофизиком Валери де Лаппаран Хакра приступил к созданию гораздо более масштабного обзора того же самого небесного «клина». «Второй обзор красных смещений» Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, выполненный с 1985 по 1995 год, позволил определить трехмерные положения более 18 000 галактик⁶. Исключительно трудоемкая работа, но она того стоила. Так произошло становление космической картографии.

Ну а за это время дозрела и многообъектная спектроскопия. Идея состояла в том, чтобы установить в фокальной плоскости телескопа алюминиевую пластину с маленькими отверстиями, просверленными в точности там, куда попадает свет исследуемых галактик. После этого остается лишь направить этот свет по сотням оптических волокон на спектрограф и получить спектры сотен галактик за один раз. Конечно, для каждого наведения приходится «сверлить» отдельную пластину, но эта методика дает огромную экономию телескопного времени.

Группа под руководством Мэтью Колесса из Австралийского национального университета выполнила на 3,9-метровом Англо-австралийском телескопе (это тот самый инструмент, с помощью которого Коэн Кёйкен и Джерри Гилмор в конце 1980-х годов опровергли Оорта) «Обзор красных смещений галактик 2dF» (Two Degree Field (2dF) Galaxy Redshift Survey), используя для этого многообъектную спектроскопию. С 1997 по 2002 год они определили красные смещения целых 230 000 галактик до расстояния около 2,5 миллиарда световых лет. Вместо просверленных пластин они использовали мобильные оптические волокна с дистанционным управлением, которые по команде устанавливались на нужные места в фокальной плоскости⁷. Наконец замаячил рубеж миллиона галактик: исходная «Карта миллиона галактик» была двумерной, и возможность изучения трехмерных положений такого же количества галактик стала бы огромным достижением.

Кроме того, обзор 2dF начал приобретать еще и четвертое измерение – время. Ведь телескопы – это еще и машины времени, позволяющие заглянуть в прошлое. Чтобы дойти до нас, свету от далекого объекта требуется время. Мы видим галактики, удаленные от нас на 2,5 миллиарда световых лет, такими, какими они были 2,5 миллиарда лет назад. Глядя назад во времени, мы получаем возможность изучать эволюцию крупномасштабной структуры Вселенной. А если процесс роста космической структуры в первые дни существования Вселенной определялся гравитацией темной материи, то глубокие обзоры галактик дадут важные сведения о природе этой таинственной субстанции.

Один из самых грандиозных и успешных на данный момент проектов четырехмерного картографирования Вселенной – это начатый в 2000 году Слоановский цифровой обзор неба (Sloan Digital Sky Survey), который продолжается до сих пор, причем его создатели почти каждый год выкладывают в общий доступ огромный объем новых данных⁸. Этот обзор представляет собой совместный проект с участием сотен ученых и десятков организаций со всего мира. Наблюдения выполняются на 2,5-метровом телескопе обсерватории Апачи-Пойнт в штате Нью-Мексико. Кроме потрясающих снимков, сделанных в период с 2000 по 2009 год с помощью огромной 120-мегапиксельной камеры, в ходе Слоановского обзора были получены также более четырех миллионов спектров звезд и галактик, в том числе и так называемых квазаров (далеких галактик со сверхяркими ядрами) на расстояниях до нескольких миллиардов световых лет. Это огромный прогресс по сравнению с 2400 галактиками первого обзора красных смещений Центра астрофизики, опубликованного Марком Дэвисом в начале 1980-х годов.

Я гляжу на Тихий океан с расположенного у основания маяка Ла-Серены пляжа Эль-Фаро. К югу, на обращенных к морю террасах ресторанов на Авенида-дель-Мар, туристы наслаждаются тихим прибоем и красочным закатом. Земным мореплавателям потребовались века, чтобы исследовать эти огромные водные просторы и нанести на карты многие тысячи возвышающихся над волнами больших и малых островов. А астрономы всего за четыре десятка лет смогли нанести на карты и изучить многие миллионы галактик, которые когда-то называли «островными вселенными», – и все это в космическом океане протяженностью многие миллиарды световых лет. И сделали они это не выходя из порта.

Всего через несколько лет телескоп LSST откроет новую эру космической картографии. В ходе 10-летнего обзора неба телескоп должен обнаружить и заснять невероятное количество галактик – целых 20 миллиардов, получив их изображения в шести диапазонах длин волн. Для очень далеких галактик полученное таким образом распределение энергии позволяет грубо оценить их красные смещения и, следовательно, расстояния – без необходимости получения подробного спектра. На основе этих данных космологи смогут реконструировать процесс роста структуры Вселенной на протяжении миллиардов лет. А еще телескоп LSST осуществит мечту Тайсона о построении карты распределения темной материи в пространстве и во времени на основе статистического исследования небольших искажений формы этих галактик, вызванных слабым гравитационным линзированием.

Построение карты невидимой Вселенной. Это как если бы я поднялся на маяк Ла-Серены, чтобы исследовать волнение в Тихом океане, и на основе выявленных особенностей постарался получить информацию о невидимых воздушных потоках, подповерхностных океанских течениях и скрытом рельефе океанского дна. Капитан Джеймс Кук счел бы все это колдовством.

Честно говоря, у меня возникает именно такого рода чувство, когда я гляжу на технические характеристики камеры телескопа LSST и читаю про ожидаемые научные результаты – это ведь действительно чудо. Благодаря уникальной оптической схеме 8,4-метрового инструмента размер его поля зрения в семь раз больше полной Луны. Чувствительность телескопа настолько невероятно высока, что ему потребуется не более 15 секунд, чтобы получить изображения звезд и галактик, блеск которых почти в миллиард раз слабее, чем у самых тусклых звезд, видимых невооруженным глазом. После каждой экспозиции массивному, но при этом очень жесткому и компактному телескопу требуется всего пять секунд, чтобы перенавестись на другой участок неба и приступить к получению нового снимка. Телескоп LSST – это, по сути, ультракомпактная космическая видеокамера со сверхвысоким разрешением для получения примерно 200 000 3,2-гигапиксельных изображений в год. Кроме 20 миллиардов галактик телескоп сможет обнаружить огромное количество краткосрочных явлений и движущихся объектов вроде взрывов далеких сверхновых, близких астероидов и ледяных тел во внешней части Солнечной системы. В течение многих лет на астрономов обрушится поток данных, как из брандспойта.

Чем же обсерватория имени Веры К. Рубин поможет в решении загадки темной материи? Удастся ли с помощью нового телескопа окончательно понять роль невидимой субстанции в возникновении и эволюции крупномасштабной структуры Вселенной? Возможно, он прольет свет на физические свойства этой таинственной субстанции? Время покажет, но астрономы ждут не дождутся, когда же это произойдет.

Вечером во вторник 2 июля 2019 года по Тихому океану с запада на восток проносится тень Луны. Эта тень шириной 145 километров проходит через Ла-Серену, пересекая долину Эльки со скоростью 5 км/с. Тысячи туристов собрались в небольшой деревушке Вильясека, что к востоку от Викуны, чтобы посмотреть на самое эффектное природное явление – полное солнечное затмение.

Через специальные защитные очки для наблюдения затмения я гляжу на ползущий по яркому солнечному кругу темный лунный диск. Дневной свет как будто постепенно выкачали из окружающего ландшафта. Тени становятся резкими, небо приобретает пугающий синевато-стальной цвет. Собаки залаяли, а птицы притихли. Под оставшимся тонким серпиком Солнца становится видна Венера. А потом я внезапно оказываюсь во тьме вместе с расположенными около 20 километров к юго-западу телескопами на горе Серро-Пачон.

Вокруг черного силуэта Луны мягким светом вспыхивает горячая разреженная солнечная атмосфера – великолепная серебристо-белая корона, которая в обычное время теряется на фоне яркого сияния Солнца. На какие-то 146 секунд невидимое становится видимым для всех невооруженным глазом.

Это потрясающе красивое зрелище.