«На 13 миллиардов лет в прошлое: как работает космический детектив»

Лазеры большого телескопа формируют четыре искусственные звезды рядом с туманностью Угольный Мешок ESO / F. Kamphues [CC BY 4.0]

На первый взгляд, может показаться, что мы разглядываем далекие галактики в телескоп, как в бинокль. На самом деле это не так. Свет от этих объектов настолько слаб, а расстояния до них так чудовищно велики, что просто увидеть их — недостаточно. Астрономы работают как детективы в космическом масштабе: собирают отдельные «фотоны-улики», чтобы восстановить историю Вселенной.

Главный парадокс: чем дальше, тем древнее

Прежде чем говорить о методах, нужно понять ключевую вещь: глядя вдаль, мы смотрим в прошлое. Свет от нашего Солнца идет до Земли 8 минут. От ближайшей звезды, Проксимы Центавра, — 4 года. А от далеких галактик — миллиарды лет.

Поэтому когда мы получаем свет от объекта, находящегося в 13 миллиардах световых лет, мы видим его таким, каким он был 13 миллиардов лет назад, когда Вселенная была совсем молодой. Наша задача — заставить этот древний свет «заговорить».

Основные инструменты и технологии

Телескоп "Хаббл". Askeuhd / на основе фотографий NASA / [CC BY 4.0]

Главные телескопы человечества — это мощнейшие обсерватории. На Земле гигантские зеркала (до 10-40 метров) собирают свет, прошедший сквозь атмосферу. Но атмосфера мешает: она искажает сигнал и поглощает важные инфракрасные лучи. Именно поэтому на орбиту выводят космические телескопы — Hubble, а теперь и JWST («Джеймс Уэбб»).

У них есть одно кардинальное отличие: они видят в инфракрасном диапазоне. Дело в том, что из-за расширения Вселенной свет от самых первых галактик «растягивается» и превращается из обычного видимого света в тепловое излучение — инфракрасное. «Уэбб» с его огромным 6,5-метровым зеркалом, охлажденным почти до абсолютного нуля (–223°C), — это настоящая «машина времени», способная уловить это тепло. Именно с его помощью астрономы получили свет от галактики MoM-z14, которая вспыхнула всего через 280 миллионов лет после Большого взрыва.

Красное смещение: как измерить космическую скорость

Допустим, телескоп что-то поймал. Как понять, где эта галактика находится и как быстро она от нас удаляется? Тут на помощь приходит так называемое «красное смещение». Оно похоже на эффект от проезжающей мимо машины скорой помощи: когда она приближается — звук сирены выше, когда удаляется — ниже. То же самое происходит со светом: удаляющиеся объекты смещаются в красную часть спектра. Астрономы измерили это смещение для галактики GN-z11 и подтвердили, что это один из самых далеких и древних объектов, известных науке.

Спектроскопия: как прочитать ДНК Вселенной

Просто увидеть свет мало. Его нужно разложить на составляющие — как призма раскладывает белый свет на радугу. Это и есть спектроскопия.

В спектре любой звезды или галактики есть темные линии — «отпечатки пальцев» химических элементов. По ним мы точно знаем, из чего состоит далекий объект. Инструменты «Уэбба» настолько чувствительны, что способны определить даже малейшие примеси веществ. Так, изучая галактику LAP1-B, ученые увидели, что содержание кислорода в ней в 240 раз меньше, чем в Солнце. Это значит, что перед нами «живое ископаемое» — одна из первых галактик, сформировавшихся во Вселенной.

Гравитационные линзы: идеальный обман природы

Но как разглядеть галактику, которая находится настолько далеко и светит настолько тускло, что даже самые мощные телескопы не видят её? Природа сама дала нам подсказку — гравитационные линзы.

Согласно теории Эйнштейна, массивные объекты (скопления галактик) способны искривлять пространство-время, а вместе с ним и траекторию света. Если массивное скопление расположено ровно между нами и очень далекой галактикой, оно работает как огромная линза: отклоняет и фокусирует её свет, усиливая его в десятки и даже сотни раз. Яркий пример — объект «Космическая подкова», где далекая галактика, находящаяся в 10,9 млрд световых лет от нас, видна в виде почти идеального кольца вокруг передней галактики-линзы.

Используя «линзу», астрономы из Университета Калифорнии смогли заглянуть в самое сердце черной дыры в галактике MRG-M0138 и оценить её массу — она оказалась в 6 миллиардов раз больше Солнца.

Заключение: Охота за неуловимыми артефактами

Остаток сверхновой в туманности NGC6960 / Ngc1535 [CC BY 4.0]

Этими методами арсенал ученых не ограничивается. Они часто используют метод Ly-break («лайман-обрыв»), позволяющий отсеивать галактики по их ультрафиолетовому излучению, ищут реликтовые облака водорода (например, странный объект «Cloud-9», который по сути является «несостоявшейся галактикой») и даже применяют искусственный интеллект, который в архивах телескопа «Хаббл» среди миллионов снимков находит аномалии, незаметные для человека.

Исследование далеких галактик — это не просто разглядывание картинок, а кропотливая детективная работа. Каждый новый снимок или спектр — это очередная нить, ведущая нас к разгадке того, как из первичного хаоса возникли звезды, планеты и в конечном итоге — жизнь.