Космическая одиссея: Как американские ученые собираются узнать историю происхождения Вселенной

Несмотря на бурно развивающиеся сегодня космические технологии, мы до сих пор, кажется, знаем о небе совсем немного — во всяком случае, все еще непонятно, как выглядели, на что были способны и как развивались первые в мире звезды. Американский журналист, корреспондент журнала The Atlantic и научный колумнист Los Angeles Review of Books Росс Андерсен, побывал в гостях у Массимо Стиавелли, ученого, разрабатывающего космическую обсерваторию Вебб, исследующую образование первых звезд. Этот проект, вероятно, поможет раскрыть массу тайн, связанных с историей происхождения нашей Вселенной. Сегодня FURFUR публикует любопытный материал Росса Андерсена, получившийся после разговора со Стиавелли. 

Одним холодным осенним утром я пил чай с Массимо Стиавелли, ученым, проектирующим космический телескоп Джеймса Вебба. Я как раз пялился на одно из самых знаменитых и глубоких изображений, полученных Хабблом — небесное образование под названием Ультраглубокое поле. В офисе у Стиавелли в Балтиморе висел огромный глянцевый принт этого газа, что, в принципе, понятно, поскольку в 2004-м именно этот институт и спроектировал телескоп Хаббл.

Они направили Хаббл в малюсенький уголок неба, заставляя его наблюдать за процессами во Вселенной на протяжении десяти лет. Получившийся образ содержит более чем пять тысяч мерцающих галактик, большая часть которых великолепно детализированы. Я принимаюсь расспрашивать Стиавелли о наибольших из них, ярких космических скоплениях звезд, то тут, то там появляющихся на картинке. Но он говорит, что ему нет до этого дела.

Вместо ответа он указывает на красную точечку в самом верху картинки, настолько маленькую, что в низком разрешении ее даже не разобрать. «Меня интересуют только эти красные. Остальное лежит на поверхности», — говорит он.

Стиавелли — один из самых передовых экспертов в области первого света (это такой подраздел астрофизики, отведенный изучению старейших звезд, сформировавшихся сразу после Большого взрыва). Стиавелли нравятся махонькие красные галактики, потому что предполагается, что они старые и отдаленные. И действительно — чем дальше свет звезды от Земли, тем более он кажется нам рассеянным и красным, этот феномен называется «красным смещением». Свет некоторых настолько далек, что он растягивается за пределы видимости и становится ультракрасным, а это могут зафиксировать только специализированные телескопы.

Красное смещение маленькой точки говорит нам о том, что звезда покинула свою родную галактику, когда Вселенной было меньше миллиарда лет. К тому времени, как ее свет достиг зеркала Хаббла, он пропутешествовал по космосу дольше 12 миллиардов лет. В общем, довольно долго, но все же недостаточно, чтобы его можно было квалифицировать как первый свет. У звезд, образовавших эту точку, тоже были предки.

С одной стороны, астрономы определяют относительный возраст первых галактических звезд, используя спектроскопический анализ. Фишка в том, чтобы провести древний галактический свет через спектрометр, чтобы проверить его на металличность, поскольку металличность — это как раз качество, через которое определяют вращение звезд. Питание звезды получают от термоядерного синтеза — процесса, в результате которого происходит образование новых элементов, в том числе металлов. Когда звезды умирают, они выделяют насыщенное металлическое содержание в окружающий космос. Чем более взрывоопасна звезда, тем больше она насыщена металлом. Те, кто охотится за «первыми звездами», как Стиавелли, хотят отыскать нетронутые галактики, ранние созвездия чистых водородно-гелиумных звезд, незамусоренных осколками своих взорванных предков.

Сегодня эти звезды — солнца космического рассвета в розоватом сиянии — невозможно постигнуть посредством современных научных технологий. Но мы надеемся, что в самое ближайшее время сможем сделать это при помощи телескопов. К этому моменту технологические приспособления смогут запечатлеть и привести в порядок то, что находится в самых темных и глубоких уголках Вселенной.

Работа Микеланджело «Отделение света от тьмы»

Наше поколение не первое, задающееся вопросом о том, откуда пришли звезды. Интеллектуальный интерес к первым звездам предшествовал и современной астрономии, и изобретению телескопа. Западные философы, такие как Платон и Аристотель, полагали, что звезды были бессмертны, существовали всегда как некая постоянная составляющая космической бесконечности. Буддистские и индуистские космологи описывали регенеративную Вселенную, чьи звезды являются субъектом непреходящих циклов создания и разрушения. Средневековые христианские теологи, такие как святой Фома Аквинский, были просто увлечены идеей о том, что звезды возникли благодаря божественной воле, как это описано в Евангелии 1:3: «И Господь сказал: Да будет свет, — и стал свет». В IV веке миланский архиепископ по имени святой Амвросий пошел дальше, осмелившись в обход Писанию объяснить причину существования звезд. Он заявил, что Господь создал свет, чтобы «раскрыть мир, осветив его и сделав его прекрасным».

Современная наука сделала достаточно, чтобы удовлетворить любопытство древних. И действительно, космологи довольно уверены в том, что теперь они могут описать точные физические условия, давшие толчок развитию звездных галактик.

Итак, вслед за Большим взрывом последовало расширение и остывание Вселенной, и так продолжалось сотни миллионов лет — этот период мы зовем темными космическими годами. С течением времени части этого бездонного моря стали соединяться, формировать отдельные регионы конденсированного газа, более плотного и колоссального, чем сотни миллиардов солнц. В этих регионах, называемых гало, водородные облака собирались в звездные семена, которые становились гуще и постепенно обретали силу притяжения. Когда эти звездные образования достигли определенного уровня плотности, их ядра стали реакторами. Вскоре после этого поверхность их начала излучать звездный свет, озаряя молодую Вселенную.

Большая часть этих ранних звездных образований существует и сейчас, распределяясь по космосу, как космический туман между галактическими огнями. Но что, если «перемотать» весь этот свет и эти небесные тела стали бы первыми звездами — как бы они выглядели?

«Хотя нам неизвестно, как точно выглядели те первые звезды, очевидно, что они были невероятно велики», — говорит мне Стиавелли. Некоторые космологи считают, что они были велики, как 30 солнц; иные говорят, что как 500. Неопределенность исходит от нашей неспособности адекватно смоделировать весь процесс формирования первых звезд. Мы уверены в том, какова была структура огромных водородных гало, которая и производила эти первые звезды, но мы не уверены в том, каков был генезис изменений. Мы не уверены, производили ли эти гало несколько суперсолнц или же давали начало бесчисленному количеству малых объектов.

«Недавно мы смогли добраться до более высокого уровня понимания вопроса моделирования ситуаций, сложившихся тысячу лет после того момента, как звездные соединения начинают сливаться, — говорит мне Стиавелли. — Но тысяча лет — это довольно краткий миг для звезды; чтобы получить полную картинку, необходимо наблюдать за звездой на протяжении сотен тысяч лет».

Несмотря на эти ограничения, космологи подозревают, что первые звезды были очень горячими и, как следствие, период их существования также был довольно недолгим. «Эффективная температура на Солнце чуть ниже шести тысяч градусов по Кельвину, но эффективная температура прочих звезд была около 100 тысяч, — говорит Стиавелли. — Это немногим горячее, чем любая другая звезда нашей галактики». Астрофизики предсказывают, что эти звезды-скороспелы сгорели сами по себе менее чем за три миллиона лет, что просто какой-то пшик в сравнении с центральной звездой системы, как наше с вами Солнце. Эти быстро умирающие звезды оставляют после себя галактики, состоящие из тяжелых химических элементов, строительных кирпичиков скалистых планет, и углеродной жизни, но из-за их коротенькой жизни для ученых пока невозможно «выследить» первые звезды. И впрямь, как можно уследить за звездой, которая отсияла быстрее моргания по космическому времени?

Но погодите, помощь уже рядом. В 2018 году будет готов космический телескоп Джеймса Вебба. Вебб — это колоссальная, находящаяся в космосе инфракрасная обсерватория, беспрецедентная лаборатория, исследующая рассеянный свет. Ее инфракрасные сенсоры будут достаточно чувствительными, чтобы измерить химические свойства каждого объекта Ультраглубокого поля — даже красные точки.

«Информация об этой сердцевине Вселенной вскоре будет максимально точной», — заявил мне Стиавелли. Вебб сможет зафиксировать больше древних небесных тел и галактик настолько старых и слабых, что их свечение не может сейчас зафиксировать Хаббл.

Если этого не произойдет, есть еще один способ, благодаря которому можно засечь звезды первого поколения при помощи глаза Вебба: при помощи взрыва. Мы еще пока не знаем, сколько именно звезд первого поколения взорвались и стали сверхновыми. Но мы знаем: те, что все-таки стали, скорее всего светят довольно сильно, и можно предположить, что этот свет сохранится годы. Если Вебб заметит один из этих объектов сразу после того, как произойдет взрыв, он сможет какое-то время их наблюдать, проследит протяженность вспышки и то, как ее свет взаимодействует с окружающим космосом. Астрономы на целые месяцы погрузятся в исследования, а то и целые годы, покуда звезды наконец не начнут гаснуть, постепенно превращаясь в космический туман.

Правда, Вебб еще не достроен.

В последние годы космологи, работающие с существующими инфракрасными телескопами, обратили внимание на то, что есть другой замечательный способ охоты за первыми звездами — работа, ссылающаяся на законы гравитации. В масштабе наша Вселенная структурно делится на образования — созвездия галактик настолько огромных, что их общая гравитация сама по себе может излучать свет, расширяя и растягивая его, как линза. Направьте телескоп на одно из этих образований, и вы увидите свет из самых отдаленных его уголков. В каком-то смысле эти колоссальные объекты — это своего рода органически образованные телескопы, естественные карманы притяжения в открытом космосе.

Однако есть и еще одна загвоздка: «В любых линзах есть точки увеличения в тысячу раз или даже выше, — сказал мне Стиавелли. — Но возможность того, что одна из этих звезд имеет отношение к этим точкам, очень мала». Иными словами, невозможно предугадать, что увеличиваемые линзами объекты являются именно звездами.

Среди «охотников за первым светом» важным понять, в какую область Вселенной следует направить Вебб, а потом зафиксировать изображение предполагаемого объекта, чтобы Вебб смог увеличить и исследовать пространство. Мы уже положили глаз на супернову в возрасте 12 миллиардов лет. Но можно полагать, что в ближайшие годы мы сможем разглядеть объекты постарше.

Стиавелли надеется на то, что нам повезет. «Идеальная ситуация — если мы найдем самую первую супернову в 2016-м или 2017-м и проследим ее изменения до 2018 года, — говорит он. — Таким образом мы сможем проследить за ней и получить спектроскопическую информацию, чтобы быть уверенными в том, что это звезда первого поколения, а не что-то там еще». Телескоп Вебб станет первой обсерваторией такого рода, всегда устремленной в космос.