Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

По мере того, как Земля вращается, «неподвижные» звезды оставляют свой след на небе. На этом снимке с длинной выдержкой – Очень большой телескоп на горе Серро-Параналь, который выглядит карликом на фоне небесной сферы. Даже просто глядя в это бесконечное пространство, мы можем исследовать Вселенную и ее состав и пытаться понять, как она возникла

В мире полно астрономов, мириады астрономических целей, сравнительно немного телескопов и крайне мало времени в году, когда можно проводить наблюдения. Так как же нам все-таки удается сделать хоть что-то? Решение довольно простое: астрономы соревнуются друг с другом за получение доступа к каждому телескопу, составляя краткий запрос с указанием того, что именно они хотят наблюдать и почему, и приводя научное обоснование необходимости проведения исследования.

Предложения направляются в Комитет распределения времени наблюдений с помощью телескопа (англ. Telescope Allocation Committee, TAC), где группа научных сотрудников рассматривает каждый запрос, оценивая научную значимость и осуществимость эксперимента, и затем распределяет драгоценное время пользования каждым телескопом. Если вы хотите просто сделать снимок Луны с помощью восьмиметрового телескопа VLC в Чили[2], у вас нет ни единого шанса попасть в график его использования. Но если вы активно работаете в актуальном и востребованном направлении и предлагаете какой-то новый интересный эксперимент, обещающий серьезно повлиять на дальнейшее развитие науки, вам может повезти получить временный доступ к телескопу. А если вы хотите сделать что-то совершенно безбашенное (интересное, но с высоким риском неудачи), вас могут попросить сократить проект и провести первичные пилотные работы, которые позволят оценить осуществимость эксперимента, например понаблюдать за одной галактикой вместо десяти, изучить то, что вы обнаружили, а потом уже вернуться к этому в следующем году. Разумеется, на самые большие телескопы, расположенные в самых выгодных для наблюдения регионах и снабженные самым лучшим оборудованием, у нас очень высокий спрос. С похожими проблемами сталкиваются и те астрономы, которые, как правило, не используют телескопы, то есть астрономы-теоретики и работающие с симуляторами, так как бо́льшая часть их исследований выполняется на суперкомпьютерах. Теоретики предпочитают огромные мощные компьютеры, которые могут выполнять самые большие и сложные вычисления, и им нередко приходится биться за время работы на общих компьютерных комплексах высокой производительности – процесс получения разрешения протекает примерно так же, как и у тех, кто добивается доступа к телескопу. К счастью, эти машины не нужно вывозить в столь экзотические и удаленные места: кондиционируемого помещения со стабильной подачей электричества будет вполне достаточно.

Подготовка запроса на получение доступа к телескопу немного отличается от написания научного текста. Все, что нужно сделать, – это продать идею: сделать так, чтобы проект выглядел захватывающим и оригинальным, но в то же время осторожным и консервативным – нельзя быть слишком алчным в своих потребностях, но следует просить достаточно времени, чтобы успеть сделать что-то действительно полезное. Готовя эту бумагу, вы проходите по лезвию бритвы. Как правило, телескопы (или комплексы телескопов, как в Европейской южной обсерватории) делят год на два семестра, и каждый год объявляется несколько «конкурсов заявок». Традиционно астрономы оставляют подготовку предложений строго до дедлайна подачи, что приводит к истерическому написанию заявки в последний момент, когда они пытаются свести воедино сопроводительные цифры, по 20 раз перепроверить время выставления выдержки и технические детали и причесать текст так, чтобы он показался привлекательным Комитету распределения времени. И если им все-таки повезло и комитет наградил их временем доступа к телескопу, которое обычно нарезано на часы или ночи, то теперь они смогут сделать то, чего так страстно желают все астрономы мира: собирать фотоны, изучать Вселенную, лежащую за пределами наших органов чувств, и смотреть на просторы, которые не видел еще ни один человек. Как по мне, эта радость открытия и есть то, что вызывает наибольший азарт в нашей области науки.

Пройдя всю Вселенную и зачастую проведя в путешествии больше миллиардов лет, чем составляет вся история Земли, горстка фотонов, излученных далекими галактиками, попадает в зеркальную ловушку телескопа и фокусируются на детекторе. В этом заключается принцип работы телескопа. Чем сильнее становится наша страсть к как можно более качественной сборке этих драгоценных фотонов, тем больше становятся и сами телескопы: чем больше зеркало, которое собирает фотоны, тем больше света мы можем уловить, а значит, повышается и шанс «поймать» даже самые тусклые и далекие галактики. Когда мы говорим о свете, который был излучен какой-нибудь дальней галактикой, мы определяем его двумя показателями. Первый – это светимость галактики, то есть вся энергия, которая излучается галактикой каждую секунду (а ее очень много). Кроме того, есть еще свет, который мы, по сути, и улавливаем – наблюдаемый поток (а вот его очень мало). Он представляет собой энергию, которую мы перехватываем здесь, на Земле, и которая составляет мельчайшую долю от всей светимости галактики.

На этом снимке – зеркало и камера четырехметрового обзорного телескопа VISTA, расположенного на горе Серро-Параналь возле телескопа VLT Южной обсерватории в чилийской пустыне Атакама. Одна из его главных задач – проводить крупномасштабные исследования неба в ближнем инфракрасном диапазоне, где он может засечь большое количество очень далеких, а значит, и очень древних галактик. Секрет его успеха – широкоформатная ПЗС-камера VIRCAM: собранный четырехметровым зеркалом свет перенаправляется и фокусируется на камере, что позволяет делать большие снимки ночного неба

Представим далекую галактику в виде 60-ваттной лампочки или ее ближайшего энергетического эквивалента. Свет от нее будет излучаться во все стороны, то есть изотропно. А теперь представим, что мы сооружаем сферу, окружающую нашу лампочку со всех сторон. Пусть вся сфера будет матовой, за исключением одного маленького вырезанного квадрата – для точности предположим, что его размер 1 × 1 см. Поскольку излучение изотропно, поток, сияющий (а точнее, текущий) через эту сферу, может быть определен исходя из мощности лампочки и радиуса сферы. Эти 60 ватт растекаются по поверхности сферы, и чем большей мы ее сделаем, тем больше они растекаются. Поток, выходящий через маленький квадрат в сфере, может быть измерен вычислением соотношения вырезанного участка сферы ко всей ее поверхности. Поскольку светимость лампочки (60 ватт) постоянна, если мы сделаем сферу больше, то исходящий через отверстие поток будет меньше. На практике поток течет в соответствии с законом обратных квадратов: если сделать радиус вдвое больше, интенсивность излучения, проходящего через одну и ту же площадь, будет обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника и снизится в четыре раза. Увеличим радиус вчетверо – и интенсивность потока снизится в 16 раз. Как можно заметить, в астрономических масштабах эти гигантские объемы светимости превращаются в маленькие наблюдаемые потоки довольно быстро. Но если вы измерите поток, зная при этом расстояние до его источника или имея какие-то приблизительные его оценки, то сможете использовать закон обратных квадратов, чтобы определить светимость – примерно это мы обычно и хотим сделать, поскольку именно этот путь позволяет узнать, формируются ли в ней все еще новые звезды или нет.