Данные, которые могут изменить наши знания о Вселенной
За последние десятилетия мы узнали огромное количество нового о Вселенной и ее истории. Быстро развивающиеся технологии создания телескопов — как на Земле, так и в космосе — были ключевой частью этого процесса, и те, которые должны начать функционировать в течение следующих двух десятилетий, должны значительно расширить границы нашего понимания космологии.
Перед началом работы все обсерватории имеют список научных задач, но именно их неожиданные открытия могут оказать наибольшее влияние. Многие неожиданные достижения в космологии были обусловлены новыми технологиями, и телескопы следующего поколения обладают мощными возможностями.
Тем не менее, есть пробелы, такие как нехватка перспективных космических телескопов для астрономии в ультрафиолетовом и видимом свете. Политика и национальные интересы замедлили научный прогресс. Даже в самых известных обсерваториях затягиваются финансовые пояса.
В горах Чили строятся новые крупнейшие телескопы. На сверхбольшом телескопе (ELT) под огромным куполом в пустыне Атакама будет установлено зеркало размером с четыре теннисных корта.
Телескопы-отражатели, такие как ELT, используют основное зеркало для сбора света с ночного неба, а затем отражают его от других зеркал на камеру. Большие зеркала собирают больше света и позволяют видеть более тусклые объекты.
В Чили строится еще один наземный телескоп - телескоп Веры К. Рубин. Камера Рубина - самая большая из когда-либо созданных: размером с небольшой автомобиль и весом около трех тонн. Камера с разрешением 3200 мегапикселей будет снимать все небо каждые три дня, чтобы обнаружить движущиеся объекты. В течение 10 лет эти снимки будут объединены в масштабное замедленное видео Вселенной.
Раньше астрономия была физически сложной работой, требующей поездок к удаленным телескопам в темных местах, но многие астрономы начали работать из дома задолго до COVID. В конце 20-го века крупные наземные обсерватории начали внедрять технологии, позволяющие астрономам управлять телескопами для проведения наблюдений в ночное время, даже если они не находятся там лично. Дистанционные наблюдения, проводимые через Интернет, стали обычным делом.
Ожидайте неожиданного
Однако обзор любого наземного телескопа ограничен, даже если он находится на вершине горы. Запуск телескопов в космос может обойти эти ограничения.
История эксплуатации космического телескопа "Хаббл" началась с того, что 25 апреля 1990 года космический челнок поднял его над атмосферой. "Хаббл" получил полное представление о научной фантастике 1960-х годов: ракета для запуска, гироскопы для наведения и электронные камеры вместо фотопленки. Но один из планов провалился: "Хабблу" пришлось принять астронавта-астронома, работающего вдали от дома.
"Хаббл" был создан для проведения переписи Млечного Пути и соседних галактик. Его преемник, космический телескоп Джеймса Уэбба, будет изучать еще более удаленные галактики.
Оба телескопа произвели революцию в наших представлениях о Вселенной, но таким образом, которого никто не предвидел. В первоначальных планах "Хаббла" не упоминалось ни одно из открытий, которые сейчас считаются его величайшими достижениями: струи воды, извергающиеся из спутника Юпитера Европы, вихри вокруг черных дыр, невидимая темная материя, которая удерживает Вселенную вместе, и темная энергия, которая разрывает ее на части.
Аппарат Webb, запущенный 25 декабря 2021 года, теперь тратит треть своего времени на изучение планет вокруг других звезд, о которых даже не было известно на момент его создания.
Заявленная цель дорогостоящего телескопа - это, как правило, просто рекламная кампания космическим агентствам, правительствам и (тссс...) налогоплательщикам. Телескоп Webb должен достичь своих первоначальных научных целей, но астрономы всегда знали, что, видя дальше, тоньше или в большем количестве цветов, можно добиться гораздо большего. Неожиданные открытия, сделанные телескопами, часто оказываются более значимыми, чем заявленные в начале научные цели.
Если смотреть в перспективе
Для ученых большое облегчение, что телескопы выходят за рамки своих требований, потому что и Хабблу, и Уэббу потребовалось более 25 лет, чтобы запустить napkin. За это время возникают новые научные вопросы.
Создание большого космического телескопа обычно занимает около двух десятилетий. На создание космических телескопов Chandra и XMM-Newton ушло 23 и 15 лет соответственно. Они были разработаны для наблюдения рентгеновских лучей, исходящих от горячего газа вокруг черных дыр и скоплений галактик, и были запущены очень близко друг к другу в 1999 году.
За ними последовали японский рентгеновский спутник "Хитоми", на создание которого ушло 18 лет, и немецкий прибор "эРосита" на российской космической обсерватории "Спектр-РГ", на создание которого ушло 20 лет.
Аналогичные сроки установлены и для космических телескопов Европейского космического агентства Hipparcos и Gaia, которые нанесли на карту все звезды Млечного Пути. Миссии Cobe и Planck по изучению послесвечения Большого взрыва в микроволновом свете также заняли два десятилетия. Точные сроки зависят от того, как вы рассчитываете, и за некоторыми исключениями речь идет о "более быстром, качественном и дешевом", но национальные космические агентства, как правило, не склонны к риску и медленно разрабатывают эти проекты.
Таким образом, новейшие космические телескопы созданы в тысячелетнем масштабе. Они были разработаны в то время, когда астрономы измеряли расширение Вселенной в период ее зарождения после Большого взрыва, а также ее старческое, ускоряющееся расширение. Их главная цель сейчас - заполнить этот пробел, потому что, как ни странно, интерполяции от ранних времен к поздним не совпадают в середине.
Измеренные скорости расширения Вселенной противоречивы, как и результаты по плотности вещества в космосе. Оба измерения ставят под сомнение наши теории о том, как эволюционировала Вселенная.
Для наблюдения за средним возрастом Вселенной требуются телескопы, работающие на длинных волнах, потому что свет от далеких галактик растягивается к тому времени, когда достигает нас. Так, у Webb есть камеры с инфракрасным зумом, в то время как космический телескоп Европейского космического агентства "Евклид", запущенный в 2023 году, и телескоп НАСА "Нэнси Грейс Роман", запуск которого запланирован на 2026 год, оснащены инфракрасными широкоугольными камерами обзора.
Одновременно проезжают три автобуса
Большинство звезд сияют в ультрафиолетовом и инфракрасном цветах, которые блокируются атмосферой Земли, а также в цветах, к которым привыкли наши глаза.
Полезны дополнительные цвета. Например, мы можем взвесить звезды на другой стороне нашей галактики, потому что массивные звезды яркие в инфракрасном диапазоне, в то время как более мелкие — тусклые, и они остаются такими на протяжении всей своей жизни. Однако мы знаем, где рождаются звезды, потому что только молодые звезды излучают ультрафиолетовый свет.
Кроме того, независимые измерения одного и того же объекта жизненно важны для точной науки. Например, инфракрасные телескопы могут работать сообща и уже сделали удивительные открытия. Но то, что все космические телескопы Webb, Euclid и Roman видят инфракрасные цвета, не способствует разнообразию.
Камера "Хаббла", работающая в видимом диапазоне, только что была отключена из-за сокращения бюджета. НАСА не вернется к ультрафиолетовому излучению до 2030-х годов, когда будут запущены "Ультрафиолетовый исследователь" и обсерватория обитаемых миров.
Земная политика тоже мешает. Данные, полученные китайским космическим телескопом Xuntian, работающим на базе телескопа класса "Хаббл", вряд ли будут распространены на международном уровне. И в знак протеста против вторжения России в Украину в феврале 2022 года Германия выключила свой рентгеновский аппарат eROSITA, который в сотрудничестве с Россией прекрасно работал за миллион миль от Земли.
Дешевые коммерческие запуски могут спасти положение. "Евклид" должен был стартовать на российской ракете "Союз" с космодрома Европейского космического агентства во Французской Гвиане. Когда Россия в ответ на ответные меры прекратила там свою деятельность, запуск Euclid в последнюю минуту был успешно перенесен на ракету SpaceX Falcon 9.
Если бы большие телескопы можно было также разместить внутри спутников "cubesat" размером с обувную коробку, то более низкая стоимость позволила бы им выйти из строя. Терпимое отношение к риску создает благоприятный круг, который еще больше удешевляет полеты.
Телескопы также используются в инновационных местах, таких как гигантские воздушные шары с гелием и самолеты. В один прекрасный день они могут быть установлены и на Луне, где условия благоприятствуют определенным видам астрономии.
Но, пожалуй, самая необычная телескопическая технология, которая может принести самые неожиданные открытия, - это детекторы гравитационных волн. Гравитационные волны не являются частью электромагнитного спектра, поэтому мы их не видим. Это искажения, или "рябь", в пространстве-времени, вызванные одними из самых бурных и энергичных процессов во Вселенной. Они могут включать столкновение двух нейтронных звезд (плотных объектов, образующихся, когда у массивных звезд заканчивается топливо) или слияние нейтронной звезды с черной дырой.
Если телескопы - это наши глаза, то детекторы гравитационных волн - наши уши. Но, опять же, существующие на Земле детекторы гравитационных волн - это всего лишь предварительные испытания тех, которые астрономы в конечном итоге установят в космосе.
На вопрос, что обнаружат обсерватории следующего поколения, я ответил, что понятия не имею. И это хорошо. Лучшие научные эксперименты должны рассказывать нам не только о том, что мы ожидаем найти, но и о неизведанном.
