Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

Рис. 16.5. Спектр квазара SDSS J1148+5251 с красным смещением 6,42. Этот квазар открыли Майкл Стросс, Сяохуэй Фань и их коллеги в 2001 году. Данный квазар обладал самым большим красным смещением на момент открытия, рекорд был побит лишь в 2011 году. Свет квазара, который мы видим, был излучен, когда возраст Вселенной составлял менее 900 миллионов лет. Максимальный пик (эмиссионная линия) этого квазара связан с излучением от атомов водорода (переход с n = 2 на n = 1; см. рис. 6.2), причем излучение значительно сдвинулось в красную сторону спектра: от 1216 Å в состоянии покоя до актуальных 9000 Å. Резкий спад в спектре ниже 9000 Å связан с абсорбирующим эффектом водорода, находящегося в пространстве между нами и квазаром. Иллюстрация предоставлена: Майкл Стросс по данным из R.L. White, et al. 2003, Astrophysical Journal 126: 1 и A.J. Barth et al. 2003, Astrophysical Journal Letters 594: L95

Следовательно, задача поиска квазаров с максимальным красным смещением проста: отсматриваем снимки Слоановского цифрового обзора неба, ищем на них самые красные объекты, какие можем найти. Это не так просто, как кажется: в ходе Обзора было сфотографировано почти полмиллиарда объектов, и мы хотим убедиться, что выраженная краснота какого-либо конкретного объекта не связана с каким-нибудь редким дефектом обработки.

Есть и еще одна загвоздка. Изучая звезды, мы усвоили, что чем прохладнее звезда, тем краснее она кажется. В 1998 году, когда были получены первые снимки Слоановского цифрового обзора неба, мы с моим студентом Сяохуэем Фанем начали проект по получению спектров самых красных объектов, которые могли найти в этом массиве, – чтобы подтвердить, что это квазары, и определить их красные смещения. Мы воспользовались телескопом Апачи-Пойнт (он находится в той же обсерватории, что и телескоп Слоановского цифрового обзора неба, – в городе Санспот, штат Нью-Мексико). Этим телескопом можно удаленно управлять через интернет: не летишь через всю страну, а спокойно обедаешь дома и едешь на работу, где можешь заняться наблюдениями и управлять телескопом, до которого больше трех тысяч километров.

Когда мы принялись измерять спектры этих очень красных объектов, мы практически сразу наткнулись на нечто стоящее – но не там, где искали. Оказалось, что в россыпи квазаров с огромным красным смещением попадаются некоторые из самых холодных (и легких) звезд в природе – прямо здесь, у нас, в Млечном Пути. На самом деле, это субзвездные объекты, рассмотренные в главе 8, – их массы просто не хватает, чтобы водород в ядре начал гореть. Температура таких звезд – 1000 К или даже ниже, а когда мы только начали находить такие объекты, их спектры показались нам довольно незнакомыми. Помню, в каком аврале я просматривал в три часа ночи несколько статей с описанием таких холодных звезд, когда мы измеряли их спектры и бились над ними. Всего за одну ночь наблюдений мы определили спектры двух субзвездных объектов с минимальной светимостью, известной на тот момент (до них было всего 30 световых лет), и спектры сияющих квазаров, расположенных у самого края наблюдаемой части Вселенной. Вот вам выразительнейший пример той проблемы, о которой я уже упоминал: рассматривая астрономическое изображение, не ощущаешь глубины. Совсем близкие (в астрономических масштабах) и очень далекие объекты одновременно кажутся очень тусклыми красными точками, и, чтобы отличить их друг от друга, требуется подробно проанализировать их спектры.

Мы продолжали поиск все более красных объектов по мере того, как совершенствовались методы устранения дефектов на изображениях. Мы неоднократно побили известный на тот момент рекорд красного смещения у квазара (когда мы только начинали работать, он составлял 4,9). Всякий раз при взятии очередного рекорда мы звонили Джиму Ганну (он трудился на проекте Слоановского обзора и сам был одним из первопроходцев в изучении квазаров). Прерывая его десятый сон (дело все-таки было в три часа ночи или около того), мы говорили: «Джим, рекорд снова побит!» – «Хорошо работаете, ребята, – отвечал он, – всегда мечтал, чтобы меня будили именно по такому поводу». И снова ложился спать.

Водородная линия Лайман-альфа, хорошо заметная в спектре нашего наиболее удаленного объекта с рис. 16.5, обычно соответствует длине волны 1216 Å. Здесь она сильно сдвинута в ближнюю инфракрасную область спектра, и длина волны достигает 9000 Å. Красное смещение (9000 Å – 1216 Å)/1216 Å составляет 6,42, таким образом, сейчас между нами и этим квазаром 28 миллиардов световых лет. Когда мы открыли его в 2001 году, этот квазар обладал максимальным красным смещением среди всех известных объектов. Вероятно, огромное расстояние до него даже не столь поразительно, как следующий факт: мы видим свет, покинувший этот объект примерно 13 миллиардов лет назад, когда Вселенной было всего 850 миллионов лет. Если реликтовое излучение – отсвет новорожденной Вселенной, то сейчас мы исследуем свет из времен Вселенной-карапуза.

Здесь мы подходим к еще одной космической тайне. Как отмечалось выше, спектр квазара позволяет оценить массу черной дыры, подпитывающей его. Типичная масса большинства далеких квазаров – около 4 миллиардов солнечных масс, примерно столько весят и крупнейшие черные дыры, известные сегодня в наблюдаемой части Вселенной. Но, как вы помните, изотропность РИ свидетельствует, что ранняя Вселенная была практически полностью однородной. Требуется объяснить, как в условиях такого почти полного отсутствия всяческих структур сверхмассивные черные дыры (максимально плотные из известных объектов) могли сформироваться всего за 850 миллионов лет. Чтобы могла появиться такая черная дыра, во Вселенной уже должны были родиться и состариться первые звезды, они должны были взорваться как сверхновые, и на их месте должны были остаться черные дыры, сопоставимые по массе со звездами. Аккреция материи в таких черных дырах должна была происходить с колоссальной скоростью, чтобы они успели нарастить такую огромную массу. Теоретические модели свидетельствуют, что это едва возможно даже в идеальных условиях и, таким образом, подобные квазары с высоким красным смещением должны встречаться редко. Так и есть; поиски продолжаются уже более десяти лет, а мы нашли всего несколько десятков квазаров с огромными красными смещениями.

Поиск все более далеких квазаров продолжается; в 2011 году наш рекорд был побит с запасом – открыли квазар с красным смещением 7,08. Это удалось сделать при помощи телескопа, настроенного на еще более длинные волны (расположенные дальше в инфракрасной части спектра), чем в Слоановском обзоре. С тех пор как квазар излучил свет, который мы видим сегодня, Вселенная расширилась в 8,08 раза. Другие группы работают с космическим телескопом «Хаббл», телескопом «Субару» на Гавайях и с другими телескопами, позволяющими находить галактики с еще более высокими красными смещениями. Пока неясно, удастся ли объяснить эти и будущие открытия при помощи имеющихся моделей образования галактик и роста черных дыр, если рекорды красного смещения так и будут обновляться. Впереди нас ждет много интересного!

Астрономия чудесна тем, что всякий раз, когда ты посмотришь в небеса по-новому, начинаются фундаментальные и непредвиденные открытия. Хорошее подтверждение тому – Слоановский цифровой обзор неба, о сделанных с его помощью открытиях много рассказывалось в этой главе и главе 15. В настоящее время строится телескоп Large Synoptic Survey Telescope, расположенный в чилийских Андах. Его светособирающая способность будет еще выше, чем у Слоановского телескопа, и в течение десятилетнего срока эксплуатации он позволит изучать свойства тусклых галактик и квазаров, картировать распределение темной материи по данным о гравитационном линзировании и искажению форм галактик. Также этот телескоп позволит открыть сотни тысяч сверхновых и других недолговечных феноменов. Телескоп отснимет четверть всего неба: 860 полноценных кадров за 10 лет. В ходе этого обзора должны быть открыты сотни тысяч объектов в поясе Койпера, а также выявлены астероиды, приближающиеся к Земле. Но самых поразительных открытий мы, вероятно, даже себе не представляем; процитировав знаменитые слова Дональда Рамсфелда, можно сказать, что это «неизвестные неизвестности».