Денис Юшин
Космос для не космонавтов
© Юшин Д. И., 2023
© ООО «Издательство АСТ», 2023
* * *
Раздел 1
Куда и почему расширяется Вселенная?
На вопрос: «что такое космос?» обычно отвечают, что это «пустота» и «ничто» Но так ли уж пуст космос на самом деле?
Давайте проведём эксперимент: глядя на ночное небо, поднимите большой палец вверх и наведите его ногтевую фалангу на область, кажущуюся вам абсолютно пустой. Конечно, она таковой и останется, если смотреть на неё невооружённым глазом. Но при использовании современных телескопов вы обнаружите здесь тысячи и десятки тысяч галактик.
По Интернету путешествует история о том, что по завершении технического обслуживания телескопа «Хаббл» «астронавты решили сделать пробный кадр, чтобы посмотреть, всё ли пришло в норму. Полученная фотография заставила их остолбенеть – настолько красивой выглядела наша Вселенная. Снимок демонстрировал её пустоту, но вместе с тем были видны и древние галактики, которые зародились сразу после Большого взрыва. Фотографию назвали «Hubble Deep Field» («Глубокое поле Хаббла»), а сами учёные утверждают, что она навсегда поменяла их представление о Вселенной.
Возможно, эта история выглядит красивой и даже романтичной, но она абсолютно не отражает как сложнейшую работу огромного количества людей и уникальность самого телескопа, так и исключительность астрономических наблюдений в целом. Впрочем, давайте рассмотрим всё по порядку.
Космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST; код обсерватории «250») – всем известная автоматическая обсерватория на орбите Земли. Её изображения долгое время оставались самыми популярными для заставок на рабочих столах компьютеров и гаджетов, пока нас не начал «забрасывать» новыми фотографиями телескоп имени Джеймса Уэбба.
Размещение телескопа в космосе имеет ряд преимуществ. Главная из них – возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна. В первую очередь – в инфракрасном. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность космического телескопа в 7–10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле.
«Хаббл» обслуживали четыре экспедиции, одна из которых была разбита на два вылета, с выходом астронавтов в открытый космос из космических кораблей многоразового использования типа «Спейс Шаттл».
Полировка зеркала телескопа Hubble. © NASA
В первые же недели после начала работы телескопа полученные изображения продемонстрировали серьёзную проблему в оптической системе. Несмотря на то что качество изображений было лучше, чем у наземных телескопов, «Хаббл» не мог достичь заданной резкости.
Анализ изображений показал, что источником проблемы стала неверная форма главного зеркала. Несмотря на то что это было наиболее точно рассчитанное зеркало из когда-либо созданных на тот момент, а допуск составлял не более 1/20 длины волны видимого света, оно было изготовлено слишком плоским по краям. Отклонение от заданной формы поверхности составило всего лишь 2 мкм, но результат оказался катастрофическим – зеркало имело сильную сферическую аберрацию (оптический дефект, при котором свет, отражённый от краёв зеркала, фокусируется в точке, отличной от той, в которой фокусируется свет, отражённый от центра зеркала).
Это означало, что практически все космические программы стали просто невыполнимыми, поскольку требовали наблюдений именно особо тусклых объектов, для чего и создавалась космическая обсерватория.
Таким образом, во время первой экспедиции астронавты должны были установить на телескопе корректирующую оптику. Полёт «Индевор» STS-61 состоялся 2–13 декабря 1993 года. Работы на телескопе продолжались в течение десяти дней. Экспедиция была одной из сложнейших за всю историю космонавтики. В её рамках были осуществлены пять длительных выходов в открытый космос, за время которых астронавты установили систему оптической коррекции, широкоугольную и планетарную камеры, заменили солнечные батареи, четыре гироскопа и многое другое оборудование.
© NASA
Пустота, изменившая понимание Вселенной
Изображение, о котором пойдёт речь (Hubble Deep Field, HDF), получено из небольшой области в созвездии Большой Медведицы, равной 5,3 квадратным угловым минутам, что составляет примерно 1⁄28000000 площади небесной сферы. И вот тут начинается интересное! Просто направить телескоп в какую-либо область неба и тут же прийти в восторг от увиденного – нельзя. Получение и обработка изображений занимают очень много времени.
Исследования начались с выбора области наблюдения, которая должна была соответствовать следующим критериям:
1. Она должна находиться на высокой галактической широте.
2. В ней не должно быть ярких источников видимого света (таких, как звёзды переднего плана), а также источников инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений, чтобы облегчить более поздние исследования в этих длинах волн.
Первоначально учёные нашли двадцать областей, удовлетворяющих всем этим критериям, из которых выбрали три оптимальных области. Все области находились в созвездии Большой Медведицы.
Область, выбранная для наблюдений. © NASA
Далее учёные приступили к разработке методики. Ведь «Хаббл», напомню, – это обсерватория, и в ней находится много инструментов для совершенно разных исследований. Так, в данном случае необходимо было определить, какие из 48 фильтров можно использовать для наблюдений. Выбор зависел от пропускной способности каждого фильтра.
В итоге были выбраны четыре широкополосных фильтра: 300, 450 (синий свет), 606 (красный свет) и 814 нм.
Изображения целевой области с использованием выбранных фильтров были получены в ходе непрерывных десятидневных наблюдений, в течение которых Hubble облетел вокруг Земли по своей орбите почти 150 раз. Полное время наблюдений в каждой длине волны составило: 48,93 ч (300 нм), 36,52 ч (450 нм), 34,94 ч (606 нм) и 34,86 ч (814 нм).
Изображения, полученные в разных длинах волн: 300 нм (сверху слева), 450 нм (сверху справа), 606 нм (снизу слева) и 814 нм (снизу справа). © NASA
Наблюдения были разделены на 342 отдельных «этапа», чтобы предотвратить существенное повреждение отдельных участков изображения яркими полосами, которые образуются в результате воздействия космических лучей на датчики CCD-матрицы.
Следующий шаг – обработка данных. В процессе объединения изображений, полученных в разных длинах волн, были удалены пиксели, засвеченные воздействием космических лучей, следы космического мусора и искусственных спутников.
Hubble Deep Field. © NASA
Приблизительно на четверти фрагментов отчётливо просматривался рассеянный свет от Земли. Для избавления от дефекта яркости эти фрагменты выровняли по уровню незатронутых рассеянным светом изображений. Благодаря этой процедуре почти весь рассеянный свет с изображений был удалён.
После того как с 342 отдельных снимков убрали дефекты, их объединили в одно. Каждому пикселю CCD-матрицы соответствовала область в 0,09 угловой секунды. Каждое последующее изображение частично перекрывало предыдущее. Используя сложные методы обработки (специальный алгоритм «Drizzle»), изображения объединили. В итоговом изображении в каждой длине волны размеры пикселя составили 0,04 угловой секунды.
Данное изображение HUDF в высоком разрешении содержит галактики самых разных размеров, форм, цветов и возрастов. Самые маленькие и самые красные галактики, которых на снимке около 10000, – это одни из самых удалённых галактик, когда-либо запечатленных оптическим телескопом. Вероятно, они возникли вскоре после Большого взрыва. © NASA
Таким образом, изображение Hubble Deep Field было собрано из 342 отдельных снимков. Его построение проводили с 18 по 28 декабря 1995 года. В этой невероятно маленькой космической области практически все 3000 объектов (за исключением нескольких звёзд с переднего плана Млечного Пути) – это галактики.
С 24 сентября 2003 до 16 января 2004 года с телескопа получили более качественные изображения, которые объединили в Hubble Ultra-Deep Field (HUDF). На этом изображении около десяти тысяч галактик, но «понимание о пустоте изменил» именно Hubble Deep Field (HDF).
Ещё несколько слов о пустоте
Уверен, вы довольно часто сталкивались с утверждением, что «всё вокруг состоит из пустоты». Но можете ли вы представить себе абсолютною пустоту? И существует ли вообще абсолютная пустота (Мигдал, 1986)? Уже даже в межзвёздном пространстве – такой вакуум, какого физики не могут достичь в лабораторных условиях ввиду того, что невозможно до такой степени выкачать вещество из камеры.
Но это ещё далеко не абсолютная пустота. Давайте пойдём дальше – в межгалактическое пространство. Здесь вещества ещё меньше, но это по-прежнему не абсолютно пустое пространство, которого мы хотим достичь. Поэтому двинемся в область между скоплениями галактик. Казалось бы, вот она – пугающая беспросветная пустота. Но даже здесь на каждый кубический метр пространства найдётся хотя бы один атом. Правда, этот атом за миллиарды лет может ни разу не столкнуться ни с одним другим. Что ж, пусть это и будет той самой пустотой. Во всяком случае, здесь мы можем представить, что этого одинокого атома просто нет.
Но знаете, что самое интересное? Даже если вы возьмёте часть пространства, в котором точно нет ни одного атома, оно не будет пустым. Понятие пустоты в физике вообще, как выясняется, довольно условно. Как только дело доходит до «абсолютного ничто», в свои права вступает квантовая механика. Физики называют это явление минимальным состоянием энергии.
Даже в самом «пустом» пространстве постоянно рождаются и умирают так называемые виртуальные частицы. Проблема этих частиц заключается в том, что они не способны «закрепиться» в физической Вселенной, так как их свойства далеки от «физического идеала» – они не могут набрать достаточно массы и энергии. Всё, что только можно было «взять» из этой пустоты, чтобы попытаться стать веществом, эти виртуальные частицы «взяли», но этого оказалось мало.
Привычным нам частицам (Estia J. Eichten) просто «повезло» иметь свойства, соответствующие законам физики, то есть разница между реальными и виртуальными частицами исключительно количественная. Российский астроном Владимир Сурдин однажды довольно поэтично назвал это явление «кипящей пустотой».
Откуда в абсолютной пустоте могут появляться частицы?
При всей своей математической точности квантовая механика довольно плохо описывает суть материи в попытке скрестить классическую (макроскопическую) картину мира с микроскопической. «Кипящая пустота» – абсолютно непонятное человеческому сознанию состояние.
Но существует теория, которая может значительно упростить восприятие Вселенной. Речь идёт о квантовой теории поля, которая исключает классические представления о реальности. Она гласит, что пространство состоит из квантовых полей, а отдельных частиц (как реальных, так и виртуальных) не существует. То, что нам кажется частицами, представляет собой просто возмущения этих полей.
Таким образом, квантовая теория поля говорит нам, что пустоты вообще не существует, так как квантовые поля – это монолитные структуры. Они заполняют собой всё пространство и имеют в каждой своей точке ненулевую энергию. Колебания этих полей и создают иллюзию рождения частиц.
Поэтому и видимое вещество, и виртуальные частицы, да и вообще всё во Вселенной – лишь рябь квантовых полей. Самая понятная аналогия, которую я встречал, звучит так:
«Считать, что между частицами ничего нет, – всё равно что смотреть на горные вершины и думать, что между ними бесконечная пустота, только потому, что пелена облаков скрывает поверхность под ними».
Существует идея, что такое «кипение» и привело к рождению нашей Вселенной. Вакуум той эпохи имел энергию, несколько бóльшую, чем в наше время. Её оказалось достаточно для того, чтобы в какой-то момент сконцентрироваться и запустить цепную реакцию по созданию вещества и излучения.
Получается, всё, что сейчас существует, включая нас, людей, может быть результатом «выкипания» первичного вакуума. Таким образом, Вселенная постоянно активна и пытается создавать вещество из того, что нам кажется абсолютной пустотой. Разве это не потрясающе?
Как родилась Вселенная?
Самые интересные факты о большом взрыве
Теория Большого взрыва описывает рождение и последующее охлаждение Вселенной при расширении из первоначально крайне плотного и горячего состояния. Космологи уже десятки лет дискутируют о том, что же произошло в те доли секунды, которые «запустили» рождение нашей Вселенной.
Сам термин «Большой взрыв» не очень-то подходит в качестве описания тому, что происходило. Он вызывает путаницу, которая выливается в регулярные дискуссии между людьми, не совсем посвящёнными в тему. Образ взрыва никак не соотносится с тем, что в расширяющейся Вселенной нет ни центра, ни края, а галактики, независимо от массы, отдаляются одинаково. Впервые этот термин употребил в качестве насмешки астроном Фред Хойл, который был сторонником теории о вечной и неизменной Вселенной.
После рождения Вселенной следующие примерно 380 000 лет всё пространство заполняло облако плазмы. Дальнейшее охлаждение этого облака позволило электронам и протонам объединиться, создав нейтральные атомы водорода, что привело к его рассеиванию. Свет, испускаемый во время этого процесса, растянувшись в микроволны, является теперь самым ранним наблюдаемым явлением во Вселенной и называется реликтовым излучением (космическое микроволновое фоновое излучение).
Распределение реликтового излучения в наблюдаемой Вселенной
Фиксация фонового излучения породила новые дискуссии. Дело в том, что общая теория относительности (ОТО) предполагала сингулярность – начальную точку с неограниченными температурой и плотностью. Колебания таких температуры и плотности должны были породить области с различными свойствами. Температура же реликтового излучения тем временем колеблется в пределах всего долей градуса. Кроме того, кривизна пространства-времени выглядит, если можно так выразиться, довольно плоской, что подразумевает практически идеальный баланс вещества и кривизны в начальном состоянии.
В 1980-х годах Алан Гут предложил теорию, которая до сих пор является одной из самых популярных в среде космологов, – теорию инфляции. Он предположил, что в первые моменты Вселенная расширялась экспоненциально быстрее, пока этот процесс не привёл к образованию плотного и горячего беспорядка частиц, занявшего место сингулярности.
Эта теория отлично объясняет практически невероятное отсутствие неровностей реликтового излучения (оставшиеся незначительные колебания, согласно ей, привели к образованию скопления галактик), но никто не может объяснить, что именно заставило Вселенную расширяться так быстро в первые моменты существования.
Серьёзным подтверждением теории инфляции станет фиксация первичной пространственно-временной ряби (первичных гравитационных волн), чего до сих пор не произошло (о гравитационных волнах – в следующих главах). По аналогии с реликтовым излучением, которое присутствует даже в белом шуме, фиксируемом, скажем, вашим телевизором, первичные гравитационные волны могут быть повсеместными. Просто мы ещё их не увидели. Главное, что мы ищем.
Кстати, а вы слышали о парадоксе Ольберса (фотометрическом парадоксе) (Harrison, 1977)? Если кратко, то суть в следующем: если Вселенная действительно бесконечна и имеет число звёзд, фактически стремящееся к бесконечности, то тогда, следуя логике, куда бы ни упал наш взгляд, он должен попасть на звезду. То есть, если допустить, что космос полон звёзд, бесконечен и обладает однородной плотностью, мы будем неизбежно приходить к звезде, независимо от направления.
Так почему ночное небо не залито сплошным светом?
Всё дело как раз в Большом взрыве. Тот факт, что Вселенная не существовала всегда и мы можем наблюдать звёзды и галактики лишь на ограниченном расстоянии, и объясняет, почему света на ночном небе настолько мало. Количество видимых источников света ограничено собственно скоростью света и физикой расширяющейся Вселенной.
Так, основная предпосылка фотометрического парадокса устраняется тем фактом, что звёзды не расположены на любых, сколь угодно больших расстояниях от нас, как тот утверждает. То есть наблюдаемая Вселенная настолько молода, что звёзды ещё не успели в ней образоваться. Помимо этого, мы не видим огромное количество звёзд и галактик ввиду того, что с момента Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы их свет достиг нашего взора.
Белый шум
Тем не менее существует возможность увидеть и полностью залитое светом ночное небо. В микроволновом спектре, например, ночное небо практически равномерно по яркости, что также работает в пользу теории Большого взрыва. Дело в том, что в своём начале Вселенная была настолько горячей, что в ней не могли образоваться нейтральные атомы, не говоря уже о звёздах и галактиках. А вот когда она «немного остыла» и нейтральные атомы всё-таки сформировались, свет начал распространяться по прямой линии во всех направлениях и постоянно. Если во время настройки своего телевизора вы наткнётесь на белый шум (чёрно-белую рябь на экране без какой-либо картинки), знайте, что около 1 % этих сигналов является остаточным послесвечением Большого взрыва.
Космическое микроволновое фоновое излучение
Если подвести итог этому отступлению, становится понятно, что ночное небо мы видим таким, каким видим. Просто потому, что нам доступна лишь та часть спектра, которую мы и называем видимой. Вселенная же имеет начало, существуя конечное время. То есть на самом деле всё вокруг наполнено светом (излучением), но у нас нет органов чувств, способных воспринимать его во всех диапазонах, – для этого мы создаём специальные приборы. Ну а наши органы зрения сформировались настроенными именно на видимую нам часть спектра потому, что мы развивались в окрестностях именно нашей звезды. Так работает эволюция. Но книга не о ней.