Каждый раз, когда астроном наводит телескоп на далёкую галактику, он совершает акт веры — веры в то, что математические модели, описывающие поглощение света космической пылью, хоть отдалённо соответствуют реальности. Спойлер: скорее всего, не соответствуют.
Вот вам неудобная правда, о которой предпочитают не говорить на научно-популярных лекциях: значительная часть наших знаний о Вселенной построена на фундаменте, который трещит по швам. Речь идёт о так называемых кривых экстинкции — математических описаниях того, как межзвёздная пыль поглощает и рассеивает свет на разных длинах волн. Эти кривые используются повсеместно: от определения расстояний до галактик до расчёта массы звёзд. И если они ошибочны хотя бы на несколько процентов — а они ошибочны куда сильнее — то вся наша карта космоса превращается в красивую, но бесполезную иллюстрацию.
Нет, серьёзно. Мы тратим миллиарды долларов на космические телескопы, способные уловить фотон с края наблюдаемой Вселенной, но при этом используем модели пылевого поглощения, которые были созданы в эпоху, когда компьютеры занимали целые здания. Это примерно как купить гоночный болид Формулы-1 и заправлять его керосином из бабушкиного примуса.
Научное сообщество, конечно, в курсе проблемы. Статьи пишутся, конференции проводятся, гранты осваиваются. Но воз, как говорится, и ныне там. Потому что признать, что базовые инструменты астрофизики нуждаются в капитальном ремонте — значит поставить под сомнение десятилетия исследований и репутации сотен учёных. А кому это надо?
Пыль, свет и великая иллюзия точности
Давайте разберёмся, о чём вообще речь. Когда свет от далёкой звезды путешествует к нашим телескопам, он проходит через облака межзвёздной пыли. Эта пыль — не то серое недоразумение, что скапливается под вашим диваном. Космическая пыль состоит из крошечных частиц размером от нанометров до микрометров: силикатов, углеродных соединений, возможно, даже органических молекул. И каждый тип частиц взаимодействует со светом по-своему.
Экстинкция — это общее ослабление света при прохождении через среду. Она складывается из двух процессов: поглощения (когда фотон превращается в тепло частицы) и рассеяния (когда фотон меняет направление). Причём эффективность обоих процессов зависит от длины волны света. Синий свет рассеивается сильнее красного — именно поэтому далёкие звёзды кажутся нам краснее, чем они есть на самом деле. Это явление называется покраснением, и оно знакомо каждому, кто видел закат: Солнце у горизонта красное, потому что его свет проходит через толстый слой атмосферы.
Кривая экстинкции — это график, показывающий, насколько сильно пыль ослабляет свет на каждой длине волны. Зная эту кривую, астрономы могут «вычесть» влияние пыли и восстановить истинный спектр объекта. Звучит элегантно, да?
Проблема в том, что для этого нужно знать, какая именно пыль стоит на пути света. А мы этого, мягко говоря, не знаем. Вместо этого астрономы используют усреднённые модели, предполагающие, что пыль везде примерно одинаковая. Это как если бы метеорологи предсказывали погоду, исходя из того, что атмосфера Земли везде одинаковая — от Сахары до Антарктиды.
Священные коровы с силикатными копытами
История моделирования кривых экстинкции — это история компромиссов. В 1989 году астрономы Кардели, Клейтон и Мэтис опубликовали работу, которая стала библией поглощения света. Их модель CCM предлагала параметризацию кривой экстинкции для ультрафиолетового и оптического диапазонов через единственный параметр — отношение полной к селективной экстинкции, обозначаемое как R(V). Элегантно, удобно, практично. И катастрофически упрощённо.
Модель CCM предполагает, что все кривые экстинкции образуют однопараметрическое семейство. То есть, зная один-единственный параметр, вы можете восстановить всю кривую. Это примерно как утверждать, что все люди на планете различаются только ростом, а остальные параметры автоматически из него следуют.
За прошедшие десятилетия появились уточнения. Модель Фицпатрика, модель Гордона, бесконечные поправки и расширения. Но фундаментальная проблема осталась: все эти модели калибровались на относительно небольшом количестве звёзд в окрестностях Солнца. Мы изучили пыль в радиусе нескольких килопарсек и решили, что теперь знаем, как ведёт себя пыль во всей Вселенной.
Это научный провинциализм космического масштаба. Представьте учёного, который изучил почву в своём огороде и написал монографию о геологии всей планеты. Смешно? А ведь именно это астрономы проделали с межзвёздной пылью.
Хуже того, модели встроились в программное обеспечение, в пайплайны обработки данных, в сами методы анализа. Они стали невидимыми — настолько привычными, что никто уже не задаётся вопросом, а правильно ли это вообще. Священная корова пасётся на лугах астрофизики, и все делают вид, что так и надо.
Где красивые уравнения разбиваются о суровую реальность
Теперь о самом интересном — о том, где модели откровенно врут. И таких мест немало.
Во-первых, ультрафиолетовый бамп. Около 217,5 нанометров кривые экстинкции демонстрируют характерный пик поглощения, связанный с углеродными частицами. Проблема в том, что положение, ширина и интенсивность этого пика варьируются от одной линии наблюдения к другой гораздо сильнее, чем предсказывают модели. Иногда бамп почти отсутствует, иногда он смещён, иногда раздвоен. Стандартные модели этого не объясняют — они просто игнорируют аномалии как «шум» или «особые случаи».
Во-вторых, инфракрасный диапазон. Долгое время считалось, что в инфракрасной области экстинкция следует простому степенному закону. Космический телескоп «Спитцер» показал, что это не так. Наблюдаются систематические отклонения, особенно в областях звездообразования и вблизи молекулярных облаков. А ведь именно в инфракрасном диапазоне мы пытаемся заглянуть сквозь пыль в самые скрытые уголки галактик.
В-третьих, вариации внутри галактик. Когда астрономы начали систематически изучать экстинкцию в других галактиках, выяснилось, что она может радикально отличаться от галактической. Магеллановы Облака — наши ближайшие соседи — демонстрируют кривые экстинкции, которые не укладываются ни в одну стандартную модель. А что творится в галактиках на красном смещении z=2 или z=5, где мы видим Вселенную молодой — об этом можно только гадать.
В-четвёртых, проблема альбедо — отношения рассеянного света к общей экстинкции. Теоретические модели дают одни значения, наблюдения — систематически другие. Разница достигает десятков процентов. Это значит, что мы неправильно понимаем сами физические свойства пылевых частиц.
И наконец, проблема трёхмерной структуры. Все стандартные модели предполагают, что пыль равномерно распределена вдоль линии наблюдения. Но пыль концентрируется в облаках, спиральных рукавах, вокруг звёзд. Усреднение по всем этим структурам даёт систематическую ошибку, которую никто толком не учитывает.
Миллиарды световых лет погрешности
Какова цена всех этих ошибок? Давайте посчитаем.
Расстояния до далёких объектов определяются с использованием стандартных свечей — объектов с известной светимостью. Сверхновые типа Ia, цефеиды, верхушка ветви красных гигантов. Все эти методы требуют коррекции на экстинкцию. Ошибка в кривой экстинкции на 10% в определённом спектральном диапазоне может транслироваться в ошибку расстояния на 5-15%. А ошибка в расстоянии — это ошибка в светимости, в массе, в химическом составе.
Вспомните недавние дебаты о постоянной Хаббла — скорости расширения Вселенной. Разные методы измерения дают систематически различающиеся результаты, и это расхождение не удаётся объяснить уже много лет. Может быть, это новая физика. А может быть — и это куда менее романтично — это просто ошибки в моделировании пылевой экстинкции, которые накапливаются на каждом этапе космической лестницы расстояний.
История тёмной энергии тоже под вопросом. Открытие ускоренного расширения Вселенной в 1998 году было основано на наблюдениях далёких сверхновых, которые оказались тусклее, чем ожидалось. Но насколько «тусклее» — зависит от того, как мы учитываем поглощение света пылью. Систематическая ошибка в экстинкции могла бы имитировать часть эффекта, приписываемого тёмной энергии. Это не значит, что тёмной энергии не существует — но это значит, что наша уверенность в её свойствах может быть несколько преждевременной.
Звёздная астрофизика страдает не меньше. Масса звезды определяется по её светимости, а светимость — после коррекции на экстинкцию. Возраст звёздных скоплений, химическая эволюция галактик, история звездообразования во Вселенной — всё это замешано на тех же сомнительных моделях пыли.
Бунтари с телескопами
Справедливости ради, не все астрономы довольны статус-кво. Последние годы появляются работы, пытающиеся создать более физически обоснованные модели экстинкции. Вместо эмпирических параметризаций — моделирование на основе конкретных популяций пылевых частиц. Вместо усреднения по галактике — трёхмерные карты распределения пыли с использованием данных миссии Gaia.
Команды из Института астрономии Макса Планка и Калифорнийского технологического института работают над моделями, учитывающими реальный состав пыли: силикаты с различной степенью кристалличности, углеродные наночастицы разных аллотропных форм, возможно даже полициклические ароматические углеводороды. Звучит сложно, но это хотя бы честная попытка описать реальность, а не удобную фикцию.
Машинное обучение тоже вступает в игру. Нейронные сети обучаются предсказывать кривые экстинкции на основе множества параметров — положения на небе, расстояния, спектральных особенностей. Это чёрный ящик, но чёрный ящик, который хотя бы учитывает наблюдаемую сложность.
Проблема в том, что внедрение новых методов требует пересмотра огромного количества уже опубликованных результатов. Научное сообщество — машина инерционная. Проще продолжать использовать проверенные временем модели, чем признать, что проверка была недостаточно тщательной.
Честный взгляд сквозь пыль
Так что же делать? Признание проблемы — первый шаг. Астрономическое сообщество должно перестать относиться к моделям экстинкции как к решённому вопросу и включить их неопределённость в бюджет ошибок каждого исследования. Это неудобно, это увеличивает погрешности результатов, это делает выводы менее впечатляющими — но это честно.
Нужны систематические наблюдательные программы, специально направленные на изучение экстинкции в разных средах. Не как побочный продукт других исследований, а как основная цель. Нужны лабораторные эксперименты с аналогами космической пыли. Нужны теоретические модели, которые предсказывают, а не просто параметризуют.
И нужна скромность. Мы смотрим на Вселенную через грязное стекло и делаем вид, что знаем, как выглядит мир за ним. Может, пора признать, что наши очки нуждаются в чистке — даже если это означает, что часть того, что мы видели раньше, окажется иллюзией.
Космическая пыль кажется мелочью на фоне чёрных дыр, гравитационных волн и расширяющейся Вселенной. Но именно в деталях прячется дьявол — или, если угодно, истина. И пока мы не разберёмся с этой «мелочью», все наши грандиозные космологические построения будут стоять на песке. Вернее, на пыли. Которую мы даже не до конца понимаем.
Ирония в том, что человечество научилось детектировать гравитационные волны — рябь пространства-времени с амплитудой меньше диаметра протона — но до сих пор не может договориться о том, как несколько микрограммов пыли рассеивают свет. Может, это и есть главный урок: в науке нет неважных вопросов. Есть только вопросы, которыми пренебрегли слишком рано.