Когда не было атомов: что телескоп «Евклид» расскажет о природе Вселенной

1 июля ракета «Фалькон 9» вывела на орбиту телескоп «Евклид». Инструмент Европейского космического агентства стоимостью более €1 млрд призван ответить на самые волнующие вопросы: из чего состоит Вселенная и как она стала такой, какая есть?

Темные силы

На звезды, планеты, газ и прочие объекты приходится всего 5% массы Вселенной (точные цифры несколько различаются в разных исследованиях). Еще около 70% приходится на темную энергию (энергия пересчитывается в массу по знаменитой формуле Е = mc²). Темная энергия придает ускорение расширению Вселенной, но это почти все, что мы о ней знаем. Теоретики спорят, то ли это свойство самого вакуума, то ли некое поле, то ли еще что-то. Наконец, около 25% массы Вселенной приходится на темную материю. Эта материя проявляет себя своей гравитацией. Ее тяготение ощущают на себе звезды, галактики и даже лучи света. При этом ни в какие телескопы она не видна. Похоже, своенравная невидимка состоит из неких частиц, которые не поглощают, не отражают и не испускают никаких излучений. Но многолетние поиски предсказанных теоретиками частиц на больших и дорогих детекторах пока не увенчались успехом. Есть гипотеза, что темная материя и темная энергия — одно и то же. Есть и предположение, что никакой темной материи нет вообще, а просто мы неправильно понимаем закон тяготения. В общем, теорий много, а точно установленных фактов явно недостает. Что и неудивительно, когда приходится изучать нечто не видимое никакими приборами.

Но если на «темные субстанции» и впрямь приходится 95% массы Вселенной, то ее нынешний вид — во многом их заслуга. Свойства темной материи и энергии можно понять, внимательно изучая доступные наблюдению части Вселенной. Этим и займется «Евклид».

Огонь по площадям

«Евклид» улавливает не только свет, но и ближние инфракрасные (ИК) волны. Слово «ближние» означает, что эти  волны лишь немного длиннее световых, хотя и не воспринимаются глазом. Свет очень далеких галактик превратился в такие волны из-за расширения Вселенной. Подобные наблюдения трудно вести с Земли: атмосфера сильно поглощает инфракрасные лучи. Поэтому, несмотря на скромный диаметр зеркала в 1,2 м, «Евклид» имеет в четыре раза лучшее разрешение и в 15 раз лучшую чувствительность, чем наземные телескопы в ближнем ИК-диапазоне. 

Чувствительность — это способность видеть тусклые объекты. Благодаря ей «Евклид» сможет наблюдать даже галактики, лучи которых добирались до Земли около 10 млрд лет. Разрешение — это способность различить тонкие детали. Высокое разрешение позволит определять форму галактик и различать близкие объекты, которые для менее зоркого телескопа сливались бы в один.

Правда, «Евклид» не может тягаться с «Джемсом Уэббом» ни по чувствительности, ни по разрешению. Однако «Уэбб» с его 6,5-метровым зеркалом расплачивается за свои рекордные характеристики очень узким полем зрения. Поэтому его задача — как можно тщательнее разглядывать небольшие участки неба и отдельные объекты, вплоть до планет. «Евклид» же призван увидеть лес Вселенной за деревьями галактик. Благодаря полю зрения, которое больше полной Луны, за шесть лет телескоп обследует 35% неба и нанесет на трехмерную карту 1,5 млрд галактик. «Уэбб» не справился бы с такой работой  и за сотню лет.

Волны творения

Итак, как же «Евклид» будет изучать невидимые составляющие Вселенной?

Точное трехмерное расположение галактик хранит отпечаток бурной юности мира. Сразу после Большого взрыва, 13,7 млрд лет назад космос заполняло горячее вещество и излучение. Оно было почти однородно рассеяно по пространству. Вселенная расширялась, энергия распределялась по все большему объему, и вещество остывало.

Гравитация стаскивала материю в сгустки, из которых потом сформировались скопления галактик. По мере того как сгусток уплотнялся, росло давление внутри него. Оно на время замедляло сгущение. Но вещество остывало, давление падало вслед за температурой, и тяготение вновь бралось за дело. Это противоборство гравитации и давления создавало в первичном веществе волны, похожие на звуковые. Они называются барионными акустическими колебаниями.

Эти колебания продолжались первые 380 000 лет истории космоса. Потом Вселенная остыла настолько, что атомные ядра объединились с электронами в атомы. Состоящее из атомов вещество охлаждалось гораздо эффективнее. Гравитация продолжала стягивать материю в комки, но давление в них не успевало вырасти, и колебания прекратились.

Лучи самых далеких галактик, доступных «Евклиду», добирались до Земли 10 млрд лет. К тому времени барионные акустические колебания давно прекратились. Но они оставили свой след в глобальной паутине материи. Там по сей день сохраняются сгущения и разрежения. Тщательно их изучив, можно восстановить историю образования крупнейших во Вселенной структур. А уж эта история должна многое рассказать о свойствах темной энергии, ускорявшей расширение Вселенной, и темной материи, игравшей первую скрипку в сжатии вещества.

Разоблачить невидимку

У «Евклида» есть еще несколько способов изучать темную энергию. Например, он способен разглядеть очень далекие вспышки сверхновых. Зная энергию взрыва сверхновой и ее наблюдаемую яркость, можно вычислить расстояние до нее. Эта мерная линейка помогает ученым отслеживать расширение Вселенной. Именно благодаря ей темная энергия и была открыта в конце прошлого века.

Еще больше возможностей «Евклид» подарит исследователям темной материи. Ее тяготение искривляет лучи галактик. Массы невидимого вещества работают как разбросанные по пространству линзы. Изучив карту с 1,5 млрд галактик, астрономы выявят искажения, внесенные в ход лучей гравитацией темной материи. Тем самым они составят карту распределения этой загадочной субстанции между Землей и наблюдаемыми галактиками.

Кроме того, «Евклид» определит массу и форму каждой галактики. Ожидается, что он обнаружит миллионы сталкивающихся и сливающихся «звездных островов». А в ближайших 16 млн световых лет от Млечного Пути телескоп разглядит даже, из каких звезд состоят галактики и как эти звезды движутся. Все это поможет прояснить роль темной материи не только в формировании огромных галактических скоплений, но и в жизни каждой отдельной галактики.

«Евклид» начнет сбор данных через три месяца после запуска. Публикация первых результатов ожидается к концу 2025 года. Основная программа рассчитана на шесть лет, но если техника не подведет, телескоп проработает гораздо дольше. 

В проекте участвуют более 300 научно-исследовательских институтов и 2000 исследователей из 21 страны. Несомненно, ученые выжмут из каждой секунды работы инструмента все возможное. Точные наблюдения «Евклида» будут объединены с другими трехмерными картами Вселенной. Со временем к ним добавятся данные телескопов, которые пока только строятся. Весь этот огромный массив наблюдательных данных рано или поздно обязан вылиться в надежно проверенные теории, объясняющие состав и историю Вселенной.