Атлас всего, или Охота на темную энергию
Научная журналистка Шеннон Стирон в своей статье в журнале LONGREADS рассказывает о поисках следов темной энергии (о проекте DESI), тепловой смерти Вселенной и своем визите на телескоп Mayall в Китт-Пик.
На протяжении всей истории человечества люди пытались понять себя в контексте своего местоположения. Мы идентифицируем себя с местом, где родились и живем, а зачастую и с теми местами, куда только направляемся. Одна из старейших карт мира относится к Месопотамии VII или VI века (до нашей эры). Вавилонская карта мира, или Imago Mundi (от лат. «Образ мира») — это простая клинописная глиняная табличка. Ее восемь разделов описывают регион вокруг реки Евфрат в Вавилоне. Но это гораздо больше, чем просто физическое представление места, где жили вавилоняне.
Евфрат обведен кругом, который символизирует океан или «горькую реку». Участки за пределами кругового океана называются «нагу», или «далекие области», некоторые из которых также упоминаются в вавилонском эпосе о Гильгамеше. Взаимосвязь между частями карты показывает нам, что древние вавилоняне пытались вписать себя и свое местоположение в большие неизведанные области, недоступные для их понимания. На сегодняшний день человеческие цивилизации потратили много лет на изучение звезд и планет и их перемещений по небу. Но Imago Mundi — это древнейшая карта нашей среды обитания — ее тогда тоже было очень нелегко изучать.
Передо мной по бокам гигантского телескопа два ножничных подъемника с людьми, привязанными к металлическим перилам. Где-то глубоко внутри, где должна работать орда в 5000 роботов, произошла утечка масла, и из-за этого смотреть на галактики невозможно. Я приехала посмотреть на 4-метровый телескоп Mayall в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне в самый обычный рабочий день в сентябре 2019 года. Когда я начала подъем в гору, небо было чистым. По сторонам дороги виднелась зелень кустов и слоистые скалы, похожие на торт наполеон. Они появились тут около 200 миллионов лет назад, в триасовый период.
С каждой минутой подъема на 2098 метров моя машина все глубже погружалась в облако — все вокруг становилось матовым. Когда я припарковалась и вышла из машины, ветер чуть не сбил меня с ног. Я подняла голову, чтобы посмотреть на купол обсерватории — но не увидела его. Купол, в котором находится четырехметровый телескоп Mayall, находился на высоте 18 этажей, и был совершенно скрыт облаками.
Команда обсерватории Китт-Пик почти завершила установку прибора DESI, который будет искать во Вселенной темную энергию — неуловимую силу, из-за которой наша Вселенная расширяется со скоростью в десятки тысяч километров в секунду (70 километров в секунду на мегапарсек, если быть точным). DESI (англ. Dark Energy Spectroscopic Instrument — спектроскопический прибор темной энергии) сделал свой первый астрономический снимок 22 октября 2019. Его цель очень амбициозна — сделать максимально подробную трехмерную карту вселенной. Для этого нужно оглянуться назад на 11 миллиардов лет назад, когда Вселенная была очень молодой, галактики только начинали формироваться, и вообще Вселенная была куда компактнее.
Тысячи лет люди взбирались на горы и пересекали реки, чтобы построить карту и определить свое место в мире. В каком-то смысле эта трехмерная карта вселенной — последняя, которую люди могут создать. Мы проследили границы суши, отметили реки и океаны, страны и виды. Мы нанесли на карту Марс, Луну, Солнечную систему и даже нашу галактику. Осталось только одно, что нужно понять таким символическим образом — это космос как целое.
DESI — конгломерат из 500 000 частей, движущихся согласованно. 5000 оптоволоконных кабелей собраны в трубках, которые тянутся на 12 метров от верха телескопа до его низа. Эти тонкие как человеческий волос нити из чистого стекла служат проводниками света. В верхней части телескопа все 5000 нитей разветвляются, и каждая поворачивается к своей галактике. Каждые 20 минут команда направляет телескоп на новый участок неба, и как каждый из 5000 кабелей обращает свой взор на другую галактику. Каждому роботу требуется всего несколько секунд, чтобы повернуться к новому объекту. В среднем команда рассчитывает за ночь собирать свет от 150 000 различных галактик, и едва ли удастся посмотреть на одну и ту же галактику дважды.
Это может показаться странным, но самым сложным для DESI будет не отобразить на карте почти 40 миллионов галактик за пять лет, а справиться с пятью тысячами миниатюрных роботов, которые перемещают каждую отдельную стеклянную прядь внутри телескопа. «Это очень сложный инструмент, — говорит Майкл Леви, директор DESI. «У него полмиллиона движущихся частей». Как сложные внутренние механизмы часов, 5000 роботов DESI настолько малы, что если что-то пойдет не так в момент переключения, это может поставить под угрозу всю операцию и сбор данных.
Пять тысяч глаз DESI пять лет будут смотреть в прошлое, улавливая испущенный много миллиардов лет назад свет, чтобы лучше понять историю Вселенной. Собрав эти данные, они смогут расшифровать путь света через космическое пространство. Хотя мы пока не можем отправиться «назад в будущее», у нас есть телескопы, а телескопы — это ведь настоящие машины времени. Легко забыть, что изображения, которые мы видим в космосе, никогда не отображают настоящее — ведь свету потребовались миллионы или миллиарды лет, чтобы добраться до Земли. Когда мы изучаем глубокий космос, мы изучаем прошлое и объекты в нем такими, какими они были когда-то, и знаем, что с ними происходит сейчас. Об этом рассказывают фотоны — одни из самых легких частиц во Вселенной, несущие квант света. Именно они играют ключевую роль в том, как DESI поможет нам понять темную энергию и расширение Вселенной.
Поскольку свет идет до нас так долго, каждый фотон может рассказать свою историю о том, откуда он пришел и где побывал. Эти фотоны провели миллиарды и миллиарды лет, путешествуя по космосу, чтобы добраться до Земли, но когда они попадают в зеркало телескопа Mayall, их путешествие еще не окончено. Когда свет входит в один из стекловолоконных кабелей, он проходит по длине телескопа через каждую отдельную стеклянную нить еще 12 метров вниз и сквозь белый кафельный пол попадает в комнату, в которой находится 10 одинаковых спектрографов. Эти инструменты раскладывают свет от каждой галактики на спектр. В зависимости от истории каждого отдельного набора фотонов, спектр смещен в сторону либо красного, либо синего света. Все дело в том, что когда свет движется, цвета в его спектре немного меняются: если объект движется к нам, его световая волна сжимается и сдвигается в синюю часть спектра, если же объект удаляется от нас, световая волна растягивается и смещается в сторону красного цвета. После многих миллиардов лет путешествия свет от всех 40 миллионов галактик завершится в чистой комнате внутри купола на вершине горы в Тусоне, штат Аризона.
В 1929 году астроном Эдвин Хаббл изучал световые спектры галактик и выяснил, что многие из них имеют красное смещение — то есть, решил Хаббл, они удаляются от нас. Но на самом деле он открыл расширение Вселенной. Эти галактики не просто уносились вдаль, раздувалась сама ткань пространства-времени. Хаббл не поверил, что это свидетельство расширения, и прошло еще 70 лет, прежде чем ученые осознали, что Вселенная не просто расширяется — она делает это с ускорением.
Почти за десять лет до того, как Хаббл взялся за телескоп, Альберт Эйнштейн ввел так называемую космологическую постоянную как часть общей теорией относительности. Он предполагал, что Вселенная — неподвижна, а ее плотность постоянна. Когда Эйнштейн узнал о наблюдениях Хаббла и галактиках с красным смещением, он усомнился в своей теории, но совершенно напрасно. Хотя Вселенная не неподвижна (мы уже знаем, что она быстро расширяется), ее плотность по-прежнему остается неизменной. Можно представить это так: допустим, вы находитесь в гостиной со столом, телевизором, несколькими книгами и чашкой кофе. Если теперь комната начнет расширяться, становясь все больше и больше, объекты в ней не будут увеличиваться в плотности, но станут дальше друг от друга. То же самое и с нашей Вселенной.
Долгое время астрономам было непросто это принять, потому что во Вселенной много материи. И мы знаем, что из-за гравитации материя склонна собираться в комок — так разве не должна тогда Вселенная сжиматься? По последним оценкам астрономов, во Вселенной может быть до двух триллионов галактик, состоящих из двух типов материи. Материя, которую составляют привычные нам вещи — я, вы, ваш кот, стол и iPhone — это лишь 5% материи во Вселенной. Темная материя, которую мы не видим, составляет около 25%. Однако доминирующая сила во Вселенной, на которую приходится 70% всего сущего — это темная энергия. Итого, девяносто пять процентов Вселенной состоит из вещей, которые мы не видим и не понимаем по-настоящему. На данном этапе истории будет справедливо сказать, что «нормальная» материей для этой Вселенной — это вовсе не мы с нашими пятью процентами.
Название «темная энергия» родилось из-за незнания — мы называем ее темной, потому что ученые просто не могут ее обнаружить и на самом деле понятия не имеют, что это такое. Но есть пара идей. «Самое простое понимание — что это и есть космологическая постоянная», — говорит доктор Риса Векслер, астрофизик и профессор Стэнфордского университета. «По сути, это будет означать, что это свойство самого пространства, которое постоянно во всем пространстве и времени». Так получилось, что это единственное объяснение, при котором работает теория плотности Эйнштейна. Один-ноль в пользу текущей рабочей модели. Но тут кроется парадокс: чем больше места, тем больше темной энергии и тем больше расширяется Вселенная. Следовательно, чем больше расширяется Вселенная, тем больше остается пространства и, следовательно, больше темной энергии. «Сейчас мы находимся на очень интересном этапе космологии», — говорит Векслер. «У нас есть то, что по сути представляет стандартную космологическую модель в течение последних 20 лет. Пока она еще работает, но все больше фактов указывают на то, что она вот-вот сломается. И сейчас мы не знаем, что произойдет, когда данные станут лучше: подтвердим ли мы модель или явственно увидим, что она больше не работает».
Данные исследования, которое проводит DESI, могут показать, что нынешнее понимание Вселенной неверно — и это уже не в первый раз. По крайней мере, мы знаем, что темная энергия — это не частица, в отличие от темной материи. Некоторые ученые думают, что это могло быть другое измерение, просачивающееся в нашу вселенную. Но вероятнее всего, это может быть само пространство. Это означало бы, что космос никогда не был пустым, просто мы не видели, из чего он состоит на самом деле. Но что же означает «само пространство»? Никто не знает.
Учитывая то, насколько недавно мы на Земле, мы довольно много узнали о космосе. Мы знаем, что Земле около 4 миллиардов лет, мы знаем, что 13,8 миллиарда лет назад не было ничего, а потом появилось все. Мы абсолютно ничего не знаем о первой десятимиллионной триллионной триллионной триллионной секунды после Большого Взрыва, но после этого у нас есть точная шкала всех событий, с начала и до нынешнего момента. Вскоре после того, как Вселенная возникла, она надулась, как воздушный шар, и очень быстро разнесла материю по всему миру. Но это раздувание быстро закончилось, и Вселенная продолжала расширяться, но не ускоряться. Пока все в порядке: формируются звезды, они объединяются в галактики, а затем галактики сливаются вместе и образуют скопления галактик, рождаются объекты той версии Вселенной, которую мы знаем. Тут-то и начинается самое интересное.
Вся эта материя притягивалась друг к другу под действием гравитации, как и следовало от нее ожидать. Из-за притяжения всей этой материи расширение Вселенной замедлилось. Но затем, около семи миллиардов лет назад, расширение Вселенной внезапно стало ускоряться, и с тех пор только усиливалось. Где-то между одиннадцатью и семью миллиардами лет назад в игру вступила темная энергия и начала диктовать свои правила. Чтобы понять, насколько быстро происходит это расширение: наша Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад, без темной энергии и расширения диаметр Вселенной тогда был бы 13,8 миллиарда световых лет в ширину, но из-за темной энергии наблюдаемая Вселенная сейчас составляет 91,32 миллиарда световых лет в поперечнике.
Ученые по всему миру, включая команду DESI, отчаянно пытаются понять, как и почему произошел этот сдвиг. Откуда взялась темная энергия? Все, что мы знаем сейчас, так это то, что темная энергия побеждает.
Задача на сегодня — наладить балансировку телескопа, которую сбили тяжелые кабели DESI. Я стояла с Дэвидом Спрейберри, моим проводником и местным менеджером проекта, пока его команда пристегивалась ремнями безопасности для подъема на высоту 18 этажей. Мужчины возраста моего отца надевали нечто, напоминающее экипировку человека, решившего взобраться на Эмпайр-стейт-билдинг по внешней стене. Некоторые из этих техников работают над телескопом с того момента, как он был построен более 40 лет назад, и видели, как он используется в различных научных целях, в том числе в проекте DESI. Они болтают о своих планах на выходные, о том, кто запускает лифт, — и да, все ли привязаны? Не хотелось бы сегодня умереть! Итак, они поднимаются.
Чтобы уравновесить телескоп, рабочие тащут с собой подносы со свинцовыми грузами размером с конверт. Они закрепляют каждый груз, затем проверяют балансировку, затем добавляют вес и снова проверяют. Осталось всего несколько недель до сбора того, что астрономы называют «первым светом». Первым счастливым объектом пристального внимания DESI станет спиральная галактика под названием Треугольник на расстоянии 2,7 миллиона световых лет от нас. Эта конкретная галактика так много изучалась на протяжении многих лет, что ее спектры очень хорошо известны, что делает ее своего рода галактическим калибратором.
Прежде чем команда приступила к проблеме с балансировкой, мы спустились по тонкой металлической лестнице в центр телескопа прямо под зеркалом. Зеркало Mayall в два раза больше, чем у космического телескопа Хаббла, и, возможно, он немного староват, но это серьезный телескоп. И это хорошо, потому что ему предстоит серьезная работа.
Надписи на карте Imago Mundi описывают некоторые основные особенности — где восходит солнце, где находятся горы. Но есть линия, которая описывает четыре квадранта карты как «Четыре квадранта всей вселенной». Факт, о котором они тогда не могли знать, по-прежнему остается верным: граница Вселенной ограничена тем, что мы можем видеть.
Наконец, последний абзац текста на Imago Mundi — это пронзительный конец: «Во всех восьми “регионах” четырех берегов (кибрати) земли, их внутренности никто не знает». Древние вавилоняне были ограничены в своих знаниях о том, что существовало за горами на востоке — но они точно знали, что подземный мир находится в одном направлении, а в другой стороне живут враги. Вавилоняне многого не знали, и, хотя наши знания росли в геометрической прогрессии, мы во многих отношениях все еще в том же положении: смотрим вверх и в сторону и гадаем, что лежит за пределами нас.
Задача DESI может показаться немного абсурдной — создавать карту вселенной, которая постоянно меняется, расширяясь. Есть что-то поразительное и немного ироничное в создании карты границы, которая постоянно убегает от нас, как если бы вы пытались нанести на карту песчинки на пляже, пока продолжается прилив. «Край» нашей вселенной будет отдаляться, пока все не исчезнет. Но эта карта Вселенной больше о нашем прошлом, нежели о будущем. Ведь чтобы знать, куда мы идем, сначала нужно выяснить, где мы уже были.
Директор проекта DESI Майкл Леви сравнивает его с космической МРТ. «Это немного похоже на медицину, когда они перешли с рентгеновских лучей, которые давали двухмерное изображение, на МРТ, с помощью которой можно было делать трехмерные срезы тела». DESI делает примерно то же, но для космоса: «теперь у нас будут временные срезы Вселенной, описывающие объекты на равном удалении от Земли».
Собирая данные и разделяя свет на периоды времени, ученым смогут реконструировать историю Вселенной. В конце концов, как только исследование будет завершено, мы сможем исследовать глубокое астрономическое время так же, как геологи использовали окаменелости и минералы, чтобы рассказать историю Земли. Такие инструменты, как DESI, позволяют нам нарушить законы физики: оглядываясь назад во времени, мы можем сделать выводы о том, что произойдет в будущем, вплоть до конца Вселенной.
Мы определяем себя через свое положение в пространстве. В случае с космосом шкала времени выходит далеко за рамки нашей очень короткой жизни или даже за пределы нашего воображения. Ответы на некоторые вопросы о нашей Вселенной мы не найдем — они останутся на усмотрение будущих поколений, и правда в том, что на некоторые из них люди вообще никогда не смогут ответить. Но тогда зачем это все? Почему так важно, когда и как возникла Вселенная? Почему нас так волнует, когда и чем это закончится? Потому что на протяжении всей нашей жизни местоположение определяет нашу идентичность. Один из первых вопросов, который мы учимся задавать на другом языке, это «откуда вы?» Знать, где мы находимся в любой момент времени, значит иметь систему отсчета, в которой можно каким-то образом измерить свою жизнь.
Перед отъездом мы остановились в главном офисе, где люди забирают ключи от своих общежитий. Многие из них спали днем, как это часто делают астрономы. На стене — тридцатилетняя пробковая доска, на которой закреплены выцветшие на солнце вырезки из газет, так или иначе относящиеся к астрономии. В самом низу — черно-белый рисунок с рваными потрепанными краями, на котором мультяшный персонаж смотрит в телескоп, и подпись: «Я читал, что Вселенная убегает от Земли со скоростью более 15 000 миль в секунду! Наверное, она знает что-то такое, чего не знаем мы».
Я попрощалась с телескопом и командой DESI около 16:00, и когда я уезжала, облака рассеялись, стал виден весь Китт-Пик. На каждом хребте теснились группы телескопов, каждый из них искал ответ на свой вопрос, устремив взгляд высоко вверх. Я увидела дороги, петляющие через долину внизу — я наконец видела и точно понимала место, где я была.
Однажды, через триллиарды триллиардов лет после нашей смерти, Вселенная тоже погибнет. Как и мы, каждую секунду она движется к своей смерти. Она расширится настолько сильно, что сама материя начнет «рваться» и постепенно остывать, пока вся не достигнет одинаковой температуры. Это одна из самых популярных версий — теория Тепловой смерти Вселенной, или Большое замерзание. Со временем умрут звезды, галактики и их солнечные системы — все, что мы когда-либо знали, поглотят черные дыры — последнее, что останется во Вселенной. В конце концов вещество внутри этих черных дыр тоже испарится, пока не останется совсем ничего. Это впечатляет даже сильнее, чем «бледно-голубая точка» Сагана: все, что мы когда-либо знали, исчезнет, каждый человек, когда-либо рожденный и умерший, каждый человек, которого мы когда-либо любили, каждое произведение искусства, каждая книга, каждая планета, каждая галактика, каждая звезда, каждый атом, который когда-либо был создан, перестанут существовать.
Мы живем на весьма заурядной каменистой планете в одной из триллионов солнечных систем. Наша планета вращается вокруг ничем не примечательной звезды, которая находится в Рукаве Ориона галактики Млечный Путь в сверхскоплении Девы в древней вселенной, которая постоянно расширяется. Где мы? Ответ постоянно меняется.