истории

Телескоп «Евклид» отправился изучать темную материю и темную энергию — очень загадочные и совершенно невидимые Специально для этого ученые придумали хитрый способ, похожий на томографию

Источник: Meduza

1 июля на ракете «Фалькон 9» в космос отправился космический телескоп «Евклид» европейского космического агентства (ESA). Запуск «Евклида» повлияет на всю современную астрофизику: с помощью телескопа ученые попытаются сделать 3D-карту (или «томограмму») Вселенной — и лучше понять природу загадочных темной материи и темной энергии. Еще исследователи ожидают от аппарата снимки ста тысяч объектов Солнечной системы — это гораздо больше, чем делали его предшественники. «Медуза» рассказывает, почему данные «Евклида» станут золотым стандартом внегалактической астрономии на десятилетия вперед и как ученые придумали способ исследовать то, что по определению невидимо для человеческого глаза.

С помощью «Евклида» ученые получат 30 петабайт данных — это как семь миллионов фильмов в хорошем качестве. Они нужны для изучения темной материи и темной энергии

Идея создания телескопа «Евклид» появилась в ESA в 2008 году, но формальной датой начала разработки миссии считается 2012-й — именно тогда был заключен первый контракт на проектирование аппарата. Обсерваторию строили почти 10 лет. Изначально телескоп должна была запускать ракета «Союз-2», но после вторжения России в Украину Дмитрий Рогозин, возглавлявший тогда корпорацию «Роскосмос», запретил использование российских ракет-носителей европейскими организациями (тогда чиновник утверждал, что ракета, способная заменить «Союз», может появиться у европейцев только через два-три года — и они вынуждены будут обратиться за помощью к США). В октябре 2022-го действительно было решено, что «Евклид» полетит в космос на ракете «Фалькон 9» американской компании SpaceX.

Запуск телескопа транслировали в прямом эфире, это был 236-й старт ракеты «Фалькон 9» и 204-я успешная посадка многоразовой первой ступени ракеты. После запуска «Евклид» отправился к точке Лагранжа L2 системы Земля — Солнце в полутора миллионах километров от Земли — к той самой точке L2, куда недавно отправился телескоп Уэбба и где уже давно находятся аппараты прошедших и все еще продолжающихся миссий ESA: «Гершель», «Планк» и «Гайя».

Первые данные, необходимые для калибровки и проверки всех систем, должны поступить от «Евклида» уже через пару месяцев, а первый полноценный релиз данных запланирован на 2025 год. Всего по мере накопления и обработки данных ожидается три полноценных релиза, последний из которых выйдет в 2030 году — примерно через год после окончания работы телескопа. Общий ожидаемый объем данных, полученных «Евклидом» и телескопами поддержки за шесть лет, — более 30 петабайт.

Основная цель телескопа — на протяжении шести лет изучать темную материю и темную энергию. Помимо названия, у этих субстанций есть как минимум две общие детали: это одни из самых важных загадок в современной астрономии и обе невидимы. Тем не менее эти феномены можно изучать с помощью «Евклида», а еще телескоп наверняка сделает множество сопутствующих открытий — например, позволит рассмотреть редчайшие и крайне интересные ранние галактики, которые появились, когда Вселенной было всего 700 миллионов лет.

Так чем настолько интересны темная материя и темная энергия? Если коротко: одна удерживает скопления галактик вместе, а вторая отвечает за расширение Вселенной

Больше ста лет назад Альберт Эйнштейн сформулировал Общую теорию относительности (ОТО), перевернув представление людей о гравитации. Выяснилось, что Земля не притягивает яблоко к себе силой, а своей массой искривляет пространство, в котором яблоко двигается по особым кривым, которые называются геодезическими. На языке математики ОТО записывается коротким (но чрезвычайно сложно решаемым) уравнением.

В левой части уравнения стоит заглавная греческая буква лямбда (Λ,), но она не появляется там естественным путем — Эйнштейн волюнтаристски добавил ее спустя несколько лет после открытия ОТО, в 1917 году. Дело в том, что Вселенная, описываемая уравнениями ОТО, нестатична: ничто не может компенсировать силу гравитации (ведь нет силы отталкивания), а значит, Вселенная должна быстро схлопнуться в точку — сколь бы бесконечной она ни была. Получается парадокс: уравнения ОТО действительно описывали гравитацию точнее, чем законы Ньютона, объясняли загадочное изменение орбиты Меркурия и лучше предсказывали отклонение света при солнечном затмении, но при этом не могли объяснить, почему Вселенная все еще существует. Этот лямбда-костыль (буква даже внешне на него похожа) «подпирал» Вселенную, уравновешивая гравитацию и обеспечивая статичность.

В 1920-х открытие Эдвином Хабблом расширения Вселенной сделало лямбду ненужной: стало ясно, что Вселенная не схлопывается под действием гравитации, потому что продолжает расширяться после того, что еще через несколько десятилетий развития космологии стали называть Большим взрывом. В результате лямбду в уравнениях ОТО стали оставлять только совсем педантичные ученые — в знак признания заслуг Эйнштейна.

Все это подводит нас к одному из главных и сенсационных открытий XX века: в середине 1990-х две независимых группы астрономов установили (а затем получили за это Нобелевские премии), что Вселенная не просто разлетается, а делает это все быстрее и быстрее, как будто ее что-то распирает изнутри. Это неизвестное до сих пор воздействие назвали темной энергией — и поразительным оказалось то, что, хоть все учебники астрономии пришлось переписывать, главное уравнение гравитации осталось неизменным, если считать, что лямбда-член — это и есть та самая темная энергия.

Кроме темной энергии, в космосе есть еще темная материя. Термин был предложен швейцарским астрономом Фрицем Цвикки, который в 1930-е наблюдал за скоплением галактик Волос Вероники и обратил внимание, что отдельные галактики двигаются слишком быстро, но при этом не вылетают из скопления — как будто есть какая-то скрытая масса, которая своей гравитацией держит их всех вместе. Еще через 30 лет американский астроном Вера Рубин обнаружила похожее поведение на окраинах спиральных галактик: звезды перемещались там так быстро, что должны были давно улететь в открытый космос, но какая-то невидимая телескопам масса опять же удерживала их в границах галактик.

Если кратко резюмировать, то темная материя не дает развалиться галактикам и скоплениям галактик, удерживая их вместе, а темная энергия, наоборот, отвечает за ускоряющийся разлет всей Вселенной, когда расстояния между скоплениями галактик увеличиваются быстрее, чем должны. А еще обе они, как мы уже упомянули, по определению невидимы человеческому глазу.

Погодите, но раз они невидимы — как можно изучать их при помощи телескопа?

На самом деле ученые сталкиваются с подобными задачами уже давно — еще в XVII веке опыты Торричелли с высотой водяного столба и знаменитые магдебургские полушария Отто фон Герике продемонстрировали, что совершенно невидимый воздух оказывает вполне ощутимое давление, называемое атмосферным.

Научный подход с тех пор остается неизменным: если нельзя что-то наблюдать непосредственно, то нужно придумать эксперимент, где что-то невидимое взаимодействует с чем-то видимым — тем, что люди могут наблюдать и измерить.

Проблема в том, что с темной материей все гораздо сложнее, чем с невидимым воздухом: она не светит, у нее нет температуры в привычном нам понимании, мы не знаем, из каких частиц она состоит (а если она вообще состоит из частиц — то неизвестно, как они сталкиваются с привычной нам материей, то есть протонами, нейтронами, ядрами атомов и молекулами). Однако мы точно знаем, что у темной материи есть масса, — а значит, она участвует в гравитационном взаимодействии. Ее плотность очень мала на Земле и внутри Солнечной системы, где движение тел определяется в основном гравитацией Солнца и планет-гигантов. Но вот астероиды и кометы облака Оорта уже испытывают ее влияние, а значит, любые космические корабли, которые в будущем отлетят от Земли на 30 тысяч астрономических единиц, должны при навигации учитывать влияние темной материи — даже если к тому времени мы все еще не будем точно знать, что это такое. В масштабах Млечного Пути, других отдельных галактик и их скоплений темная материя начинает не просто проявляться — она становится одной из главных действующих сил.

Любое массивное тело отклоняет свет, проходящий рядом с ним. Еще в 1919 году научная экспедиция Артура Эддингтона в Западную Африку зафиксировала отклонение света далеких звезд самым массивным телом из доступных исследователям на тот момент — Солнцем. ОТО предсказывает отклонение световых лучей под действием гравитации (это называется гравитационным линзированием), и как законы оптики позволяют узнать параметры линзы, если у нас есть объект и его отражение, так и уравнения ОТО позволяют получить параметры гравитационной линзы по искаженному свету далеких галактик.

Именно для этого нужен «Евклид» — он будет фотографировать множество далеких видимых галактик, и если между ними и Землей есть сгустки темной материи, то видимая форма этих галактик будет искажена, как будто бы свет прошел через несколько линз, в случайном порядке расставленных на его пути. Зная истинную форму далеких галактик, а также расстояние до них, можно с помощью ОТО построить карту гравитационного линзирования, то есть фактически 3D-карту — или «томограмму» Вселенной. На нее будут нанесены невидимые массивные участки гравитационных линз — той самой темной материи.

Но как узнать истинную, неискаженную форму галактик, если до нас доходит только свет, преломленный гравитационным линзированием? Для каждой отдельной галактики это невозможно, но если у вас есть данные по миллионам галактик, то на помощь приходит статистика больших чисел. Можно математически рассчитать отклонение формы галактик от ожидаемой геометрии и сделать вывод о наличии темного вещества.

А как «Эвклид» будет изучать темную энергию?

«Евклид» будет наносить на карту галактики и скопления галактик, определять расстояние до них и, накопив достаточно статистики, выяснит — совпадают ли размеры скоплений и расстояние между галактиками в разные эпохи с расчетными. Если нет — значит, мы чего-то не знаем про силы, которые отвечают за изменение размеров Вселенной. В современной космологии, основывающейся на уравнениях Эйнштейна, действие темной энергии считается неизменным во все времена. Фотографирование видимых скоплений галактик позволит измерить лямбда-член для разных возрастов Вселенной и понять, меняется ли он со временем. То есть «Евклид» будет изучать скорость расширения Вселенной, а значит и действие темной энергии. Одновременно эти наблюдения станут самым масштабным тестом общей теории относительности Эйнштейна.

Но ведь телескопов на орбите уже очень много — так зачем нужен еще один и в чем его уникальность?

Для успеха миссии важно сфотографировать миллиарды галактик, находящиеся в нескольких миллиардах световых лет от нас, разбросанные по небосклону — и к тому же с максимальным качеством съемки. С этим справится только «Евклид».

Вселенная не всегда расширялась ускоренно — лямбда-член из уравнений ОТО начал играть заметную роль примерно четыре миллиарда лет назад, когда галактики и скопления галактик разлетелись достаточно далеко, чтобы гравитация уже не могла противостоять действию темной энергии. Значит, чтобы изучить влияние темной энергии на расширение Вселенной, нужно узнать размеры скоплений галактик в течение равных промежутков времени до и после момента наступления «эпохи темной энергии». Таким образом, первое требование к телескопу, изучающему темную энергию, — это способность четко видеть галактики, расположенные в восьми миллиардах световых лет от нас.

Хаотически разбросанные по космосу облака темной материи не будут формировать красивые кратные изображения объектов или светящиеся кольца. Они будут лишь немного искажать форму галактики (для такого искажения используется специальный термин «слабое гравитационное линзирование»). Поэтому для каждого облака нужно несколько искаженных изображений галактик, по которым можно узнать массу темной материи. Математически доказано, что для надежного картографирования нужно не менее 1,5 миллиарда галактик, которые должны быть распределены по большому участку неба. То есть вместо мощного телескопа, который может увидеть много галактик на маленьком пятачке неба (для этого созданы, например, «Уэбб» и «Хаббл»), нужен телескоп, который сможет изучить как минимум треть небосвода, то есть 15 тысяч квадратных градусов. Это еще одно ключевое требование к «Евклиду».

Даже самые лучшие современные телескопы не могут выполнить задачи, связанные с этими двумя требованиями. Так, например, за 32 года работы телескоп «Хаббл» сделал 1,4 миллиона качественных и очень нужных для науки снимков (здесь можно посмотреть на то, как эти снимки распределены по всему небу), но суммарно покрыл всего 330 квадратных градусов — «Евклиду» для той же задачи понадобится от силы месяц. Такие «тяжелые» снимки требуют серьезных инженерных решений — его антенны смогут ежедневно передавать на Землю 850 гигабайт информации, а встроенной памяти решено установить аж на четыре терабайта (к примеру, у телескопа Уэбба всего 68 гигабайт).

Но размеры снимка — это еще не все. В конце концов, на Земле есть достаточное количество широкоугольных обзорных телескопов (например, строящийся телескоп Веры Рубин). Характерные размеры геометрических искажений галактик под действием гравитационного линзирования настолько малы, что с Земли их не разглядеть: турбулентная земная атмосфера размазывает изображение. Требование к качеству снимков повлияло и на выбор оптической схемы (то есть количества и формы линз, которые использованы в телескопе). Выбор пал на трехзеркальный телескоп Корша — он состоит из трех зеркал разной геометрии, через которые последовательно проходит луч света. Зеркала убирают все три основных оптических искажения: сферическую аберрацию, кому и астигматизм, — позволяя получить четкие широкоугольные снимки.

Существующие технологии детекторов, размеры матрицы, качество и размеры зеркала, которое ESA может запустить в космос, определяют максимальные угловые размеры одного снимка — это 0,57 квадратного градуса (примерно в три раза больше угловых размеров полной Луны на ночном небе, в один снимок будет попадать 60 тысяч галактик). Аккуратное фотографирование 15 тысяч градусов (та самая необходимая треть неба), тестирование, фокусировка, устранение возможных неисправностей, запас по времени на случай необходимости что-то переснять — все это потребует минимум шесть лет непрерывной работы. Именно на шесть лет работы и рассчитан «Евклид» (а при бережном расходовании 210 килограммов газа, использующегося для ориентации и маневрирования, — и того дольше).

Из каких инструментов состоит «Евклид»? По сути, это две огромные камеры с невероятными возможностями для съемки Вселенной (но не нашей Галактики)

Сам телескоп весит чуть больше двух тонн, размеры главного зеркала — 1,2 метра, на борту размещены два инструмента, которые могут работать одновременно:

Стоит отметить, что при проектировании «Евклида» инженерам ESA помог опыт разработки телескопа «Гайя», который исследует звезды Млечного Пути, — оба они предназначены для подробного картографирования неба, правда, в разных масштабах. Иногда можно встретить фразу, что «Евклид» — это «Гайя» для изучения Вселенной.

Снимки, которые сделает «Евклид», — ключевой, но далеко не единственный компонент его масштабной миссии. Достаточно сказать, что на строительство и запуск телескопа было потрачено всего 50% выделенных на этот проект средств. Одновременно на Земле целая сеть телескопов будет по ночам наблюдать те же галактики, что и «Евклид», чтобы получить их изображения в семи различных оптических фильтрах (как мы уже отметили, оптический инструмент на борту «Евклида» было решено строить без фильтров). Такой подход поможет не только уточнить расстояние до различных галактик, но и узнать их физические свойства: массу, размеры, скорость появления новых звезд, количество газа, пыли, водорода и прочие параметры. Специально построенные дата-центры в разных городах Европы будут принимать и обрабатывать передаваемые на Землю сырые снимки, составлять и выкладывать в открытый доступ каталоги.

Помимо основной миссии, «Евклид» наверняка будет совершать неожиданные открытия — в этом и заключается красота науки

Гигантский объем данных, полученный «Евклидом», будут использовать астрономы всей Земли — в какой бы области астрономии они не трудились. «Еквлид» обнаружит огромное количество редких галактик, которые раньше получалось находить только по случайности — либо из-за того, что их слишком мало, либо потому, что они слишком тусклые (а иногда по обеим причинам). В таблице ниже перечислены несколько редких типов галактик, которые «Евклид» будет открывать почти каждый день.

Фактически «Евклид» просто снимает ночное небо, а значит, на изображения попадают не только галактики. Например, ожидается, что на снимках окажется до 100 тысяч объектов Солнечной системы — астероидов и объектов пояса Койпера.

За пределами Солнечной системы «Евклид» сможет открывать новые экзопланеты с помощью эффекта микролинзирования (такой эффект происходит при попадании экзопланеты на луч, соединяющий какую-нибудь далекую звезду и Землю). Кроме того, стратегия наблюдения «Евклида» предполагает многократные снимки одних и тех же участков неба, а значит, будут открыты тысячи новых сверхновых и транзиенты.

Качество снимков «Евклида» позволит легко отделить старые холодные звезды Млечного Пути от сверхдалеких галактик (в обычных телескопах и те и другие видны как маленькие точки одинаковых цветов), что даст возможность изучить распределение таких звезд на окраинах нашей Галактики.

Хотя это не относится к задачам «Евклида», но, просто фотографируя ночное небо, он сможет делать детальные снимки близких протяженных галактик. Телескоп «Хаббл» из-за малого поля зрения не может сделать снимок таких галактик за один раз и вынужден составлять мозаику из отдельных экспозиций — это тратит драгоценное время и приводит к неизбежным искажениям. «Евклид» же сфотографирует сотни галактик в таком качестве, что в них будут различимы отдельные звезды.

Ну и наконец, никогда нельзя запланировать все открытия — не было случая, чтобы новый мощный телескоп не находил что-то новое и совершенно незапланированное. Все это позволяет сказать, что запуск «Евклида» — действительно важный шаг в изучении Вселенной, а его данные станут золотым стандартом внегалактический астрономии на десятилетия вперед.