|
Мощные приборы позволяют нам наблюдать за космосом
|
|
|
|
Начиная с сегодняшнего дня, Земля будет проходить через метеоритный дождь. Но в астрономии человеческий глаз - очень ограниченный инструмент. Но все более мощные приборы позволяют нам заглядывать все глубже в космос и все дальше в прошлое, проливая новый свет на происхождение Вселенной.
|
|
|
|
Сегодня ученые могут наблюдать экзопланету, вращающуюся вокруг своей звезды, отдельную галактику и даже всю вселенную. "На самом деле вселенная - это в основном пустое пространство", - говорит Жан-Поль Кнейб, профессор лаборатории астрофизики EPFL. "Здесь не так уж много скрытого".
|
|
|
|
Главное - знать, что вы ищете, правильно подобрать инструмент и смотреть в правильном направлении. А затем немного заняться домашним хозяйством.
|
|
|
|
"Наша галактика находится на переднем плане нашего поля зрения, загораживая нам обзор за ее пределы", - объясняет Кнейб. "Итак, если мы хотим составить карту водорода в ранней Вселенной, например, мы сначала должны смоделировать весь этот передний план, а затем убрать его с наших изображений, пока не получим сигнал, в миллион раз меньший, чем тот, который излучает Млечный Путь".
|
|
|
Галилей мог нарисовать только то, что он видел в свой телескоп. Но сегодня астрономы могут увидеть Вселенную целиком, вплоть до ее зарождения. Во многом это происходит благодаря быстрому совершенствованию используемых ими приборов. И в ближайшие годы ожидается еще больше открытий.
|
|
|
|
Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), запущенный в декабре 2021 года, предназначен для наблюдения за событиями, которые произошли 13 миллиардов лет назад, когда формировались первые звезды и галактики. Радиотелескоп Square Kilometre Array (SKA), строительство которого в настоящее время продолжается и которое планируется завершить к концу десятилетия, позволит заглянуть еще глубже во времена, когда звезд еще не было, а космос состоял в основном из водорода — элемента, составляющего 92% всех атомов во Вселенной.
|
|
|
|
"Самый простой способ обнаружить этот газ - работать в радиочастотном диапазоне, и это именно то, что будет делать SKA", - говорит Кнейб. "Цель состоит в том, чтобы обнаружить сигнал, в миллион раз меньший, чем сигналы переднего плана".
|
|
|
|
Еще одним проектом, находящимся на стадии разработки, является лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA), которой управляет Европейское космическое агентство (ЕКА). Запуск антенны запланирован на 2035 год, она будет наблюдать гравитационные волны, что прольет свет на рост черных дыр и, возможно, на волны, возникшие сразу после Большого взрыва.
|
|
Играем в цифровую догонялку
|
|
|
|
Эти новые инструменты не были бы столь полезными без достижений в других областях. "На данный момент у нас нет программного обеспечения для обработки данных из SKA", - говорит Кнейб, который уверен, что в конечном итоге мы добьемся этого благодаря прогрессу в области компьютерных наук, искусственного интеллекта (ИИ) и вычислительной мощности. Искусственный интеллект незаменим для сортировки огромных объемов данных с целью поиска интересной аномалии или, например, для расчета массы галактик.
|
|
|
|
"Ученые могут использовать эффект гравитационного линзирования, при котором крупный объект отклоняет свет от удаленного источника, чтобы рассчитать массу скоплений галактик с точностью до одного процента, как если бы они использовали масштаб", - объясняет Кнейб. - И мы можем обучить модели искусственного интеллекта распознавать искажения на изображениях, вызванные гравитационными линзами. Учитывая, что во Вселенной, вероятно, 200 миллиардов галактик, это огромная помощь, даже если мы можем измерить массу только одной галактики из каждой тысячи".
|
|
|
|
Но отражают ли изображения, которые мы видим, то, что там есть на самом деле? На известном снимке, опубликованном в 2019 году, видно светящееся кольцо в форме пончика, окружающее черную дыру. Увидим ли мы это кольцо, если подойдем к нему поближе?
|
|
|
|
"Это была не оптическая фотография", - говорит Кнейб. "Это была чисто цифровая визуализация. Чтобы точно наблюдать сигналы миллиметрового диапазона, излучаемые черной дырой, ученым пришлось объединить несколько наземных телескопов, чтобы создать телескоп размером примерно с земной шар. Затем изображение было восстановлено с помощью интерферометрии (метод измерения с использованием волновой интерференции).
|
|
|
|
"Но изображение, тем не менее, представляет собой реальный сигнал, связанный с количеством вещества в пылевом облаке, окружающем черную дыру. Проще говоря, темная часть - это черная дыра, а более светлая часть - вещество, вращающееся вокруг нее".
|
|
Видение в четырех измерениях
|
|
|
|
"Расчеты — это только часть уравнения в астрономии - вы должны уметь визуализировать объекты, что также помогает вам проверить правильность ваших расчетов", - говорит Кнейб, который способен читать величественное изображение туманности Лагуна, расположенной на расстоянии 4000 световых лет, как книгу.
|
|
|
|
"Это изображение было получено с помощью оптических наблюдений на разных длинах волн, чтобы отобразить различные газы. Конечно, для усиления цвета потребовалось некоторое мастерство. Но это изображение также имеет большое значение для физиков. Цвета указывают на присутствие различных газов: красный - водорода, синий - кислорода и зеленый - азота. Компактные черные области содержат большое количество пыли. Обычно это области, где образуются звезды."
|
|
|
|
Визуализация особенно важна при наблюдении объектов более чем в двух измерениях. "Изучая космос в трех измерениях, мы можем измерить расстояние между небесными объектами", - говорит Кнейб.
|
|
|
|
В начале апреля ученые, работающие над проектом Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), в том числе астрофизики из EPFL, объявили, что они создали самую большую в истории трехмерную карту галактик и квазаров Вселенной.
|
|
|
|
Но это еще не все: исследователи также изучают вселенную в четвертом измерении — времени — и, таким образом, открывают невероятные возможности для наблюдения ярких, но мимолетных явлений. "Например, мы на самом деле не понимаем происхождение быстрых радиовсплесков, которые представляют собой невероятно яркие вспышки электромагнитного излучения, длящиеся не более нескольких секунд, а иногда и доли миллисекунды", - говорит Кнейб.
|
|
|
|
Найдем ли мы когда-нибудь жизнь на экзопланете? Кнейб отвечает: "С помощью инфракрасной интерферометрии есть вполне реальная возможность сфотографировать планету, вращающуюся вокруг другой звезды. Изображение, скорее всего, будет размытым, но мы сможем наблюдать и характеризовать такие особенности, как облака и структурные изменения на поверхности планеты. Это определенно возможно, возможно, через 20 или 30 лет".
|
|
|
|
Однако, когда дело доходит до некоторых фундаментальных вопросов, мы вряд ли сможем найти ответы только с помощью изображений. Почему Вселенная расширяется с ускоряющейся скоростью? Это из-за темной энергии? Почему 80% материи невидимо? Действительно ли мы ошибаемся в отношении гравитации? Будущие поколения астрофизиков будут пристально смотреть в небо или не отрываться от своих экранов, пытаясь разгадать глубочайшие тайны нашей Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
