Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин

Итак, у нас есть некая история. Вместо концентрических сфер, о которых мы говорили раньше, теперь представьте объем, похожий на корзину для бумаг (см. с. 3 вклейки). Дело в том, что если я хочу наглядно показать вам время, то придется пожертвовать одним из измерений пространства, поэтому вы видите двухмерное изображение. «Сфера настоящего» обозначена окружностью справа, и если отправиться назад во времени (налево), то, как мы считаем, в конце концов мы окажемся там, где все пространство было сжато в точку размером меньше атома – тут очень важна была квантовая механика, связанная с очень маленькими величинами. Квантово-механические флуктуации потом становятся галактиками, скоплениями галактик и всем остальным. Это невероятно захватывающе – вначале у нас вот эта крошечная область, которая затем превращается в прекрасную галактику.

Далее мы движемся слева направо через эпоху, когда вселенная стала прозрачной для излучения, которое дошло и до нас – именно его мы так четко зафиксировали. Потом наступают космологические Темные века, в которых нет ярких источников света. И, наконец, наступает нынешняя эра, формируются звезды и галактики, а через какое-то время и наша Солнечная система.

Но мы наблюдаем и довольно странные вещи. Мы думаем, что вселенная быстро расширялась на ранних стадиях, затем все замедлилось в эпоху активного формирования вещества, а примерно пять миллионов лет назад темп расширения снова стал расти.

Поэтому мы и тратим столько сил, времени и огромные суммы денег на изучение реликтового излучения. Три спутника за 30 лет – это баснословные средства. Зато у нас есть карта молодой вселенной. Только примерно через 380 тысяч лет после своего рождения вселенная стала прозрачной, и кажется, что это очень-очень долгий срок. Но не будем забывать, что возраст вселенной составляет около 14 миллиардов лет.

Чем еще мы занимались в последнее время? Мы запустили проекты по составлению карты галактик. Первым нашим детищем стал проект Слоановского цифрового обзора (Sloan Digital Sky Survey) – исследование звезд и галактик с помощью широкоугольного телескопа в обсерватории Апачи-Пойнт (штат Нью-Мексико). На рисунке 2 вы видите карту миллиона галактик в форме эдакого веера или мельницы. Дело в том, что наша собственная галактика блокирует часть излучения. Но, к счастью, Земля вертится, поэтому можно сделать фотографию, затем планета поворачивается, и можно сделать еще одну фотографию, и тут уже можно наносить галактики на карту, вычисляя их положения. И нам нужно вычислить расстояние до определенной галактики, а затем его же в другой плоскости, и так получается очередной «веер».

Рис. 2. Слоановский цифровой обзор.

В Интернете можно легко найти вращающуюся версию таких изображений, и это просто удивительная картина, потому что каждая точка на фотографии – это галактика. Кажется, что галактики расположены случайно, но это не так – на карте можно заметить очень сложный паттерн, который постоянно всех озадачивает. Эту структуру назвали «Великой стеной Слоуна», и она выглядит как длинная цепь галактик, составляющая, может быть, около миллиона галактик. Этот комплекс сверхскоплений галактик простирается более чем на миллиард световых лет – действительно Великая стена.

Перед нами встает следующий вопрос – кто и как построил эту Великую стену? Ответ таков: мы считаем, что вселенная была запрограммирована на это с самого начала.

На рисунке 3 представлен вид на эти галактики, снятый конкурирующим европейским проектом «Исследование красного смещения в двухградусном поле» (Two-degree Field (2dF) Galaxy Redshift Survey). Здесь показано около миллиона галактик, и вы можете заметить нетипичные цвета и формы, потому что мы составляем каталог галактик, в котором есть фотографии, спектральный тип и подобные характеристики каждой галактики.

Рис. 3. Продукт проекта «Исследование красного смещения в двухградусном поле».

Все это немного хаотично, потому что делается в рамках добровольного научного проекта Galaxy Zoo: любой человек может загрузить себе на компьютер изображение галактики, проанализировать его и написать доступный всем участникам комментарий. Кстати, создатели «Галактического зоопарка» провели любопытное исследование, которое призвано было ответить на вопрос – вращаются чаще галактики слева направо или справа налево, а также выявить ошибки «человеческого фактора». Оказалось, что люди гораздо чаще классифицируют галактики как вращающиеся по часовой стрелке, но только потому, что так устроен человеческий мозг. Даже если показать человеку нормальное изображение, а затем отзеркаленное, он все равно скажет, что «обе» галактики вращаются слева направо.

Еще одна из вещей, которыми я занимаюсь – исследовательский проект BigBOSS, расширенная версия проекта «Спектроскопический обзор барионных осцилляций» (сокращенно BOSS). Этот проект нацелен на измерение скорости расширения вселенной. Недавно нам разрешили использовать для этого проекта четырехметровый телескоп обсерватории Китт-Пик. Мы поставили себе цель изучить 5 миллионов галактик. Пять миллионов – это неплохо, но не забывайте, что всего галактик 100 миллиардов, поэтому я все время подзуживаю коллег сделать еще больше. Мы спорили о том, как много мы можем себе позволить, и я настаивал на цифре в 50 миллионов. Мне ответили, что можно рассмотреть 20 миллионов галактик и еще миллион квазаров.

Теперь взгляните на рисунок 4. Вы увидите переплетенные линии, и на конце каждой из них – квазар. Если сделать хороший снимок этого квазара и провести спектроскопию, то можно увидеть, как свет поглощается формирующимися галактиками. То, что вы видите, называется «Лес лайман-альфа» («Lyα-лес») (ряд линий поглощения в спектрах далеких галактик и квазаров), и это явление помогает нам понять, что происходило во вселенной сразу после темных веков и что может произойти в будущем.

В год можно исследовать где-то миллион галактик, если вы работаете очень эффективно. Именно поэтому мы стараемся измерять спектры тысячи галактик за раз. Для этого нужно построить огромную тарелку телескопа и просверлить отверстия в конкретных местах (где находятся нужные нам галактики). Получается, что перед этим нам надо точно узнать, где же эти галактики находятся. Затем приходит парень с оптоволоконным кабелем и подключает его к каждому отверстию. Потом все ставится на свое место, оптоволокно присоединяется к спектрографу и на выходе мы сразу получаем спектры всех галактик.

Рис. 4. Лес лайман-альфа.

Моя команда проделывает всю эту работу в коллаборации с учеными из Франции и Испании. Мы действительно похожи на путешественников эпохи Великих географических открытий, мы пытаемся нанести мир на карту. Если мы будем действовать в соответствии с законом Мура, то сможем зафиксировать всю вселенную за 50 лет. Хотя, конечно, придется поломать голову, чтобы уместить в одно изображение не 5000 галактик, а 50 000, а затем 500 000. И мы движемся ко второй цифре.