Заглядываем в раннюю Вселенную

По окончании постройки трёх гигантских телескопов они могут полностью поменять современную астрофизику

Компьютерное изображение "Гигантского Магелланова телескопа", одного из трёх «экстремально больших телескопов», окончание постройки которых ожидается в течение ближайших 10 лет. Они будут достаточно крупными для того, чтобы рассмотреть первые объекты Вселенной.

Самые старые и бережно хранимые секреты Вселенной, от тёмной материи до формы Вселенной сразу после Большого взрыва, могут быть скоро раскрыты – ведь сейчас идёт строительство трёх «экстремально больших телескопов», размах зеркал каждого из которых превысит размер баскетбольной площадки.

Учёные надеются, что эти телескопы, окончание строительства которых ожидается в ближайшие десять лет, помогут им рассмотреть раннюю Вселенную, переходящую из однородного, горячего и непрозрачного состояния в холодное и структурированное, в котором материя начинает концентрироваться внутри объектов, и освобождает свет, отправляя его в путешествие по космосу.

«Мы с вами говорим о промежутке от 100 млн до 500 млн лет после начала Вселенной; в это время впервые появились первые звёзды, химические элементы, чёрные дыры и другие экзотические вещи», – говорит Герри Гилмор [Gerry Gilmore], астроном из Кембриджского университета.

Огромные телескопы заглянут назад во времени, на самый первый испущенный объектами свет. Вскоре после Большого взрыва Вселенная раздувалась, как поверхность шара, и некоторые места отдалились от нас настолько, что их первые световые вспышки приходят только сейчас. Если рассмотреть этот свет, то можно будет узнать структуру и химический состав первых объектов Вселенной, которые, как намекают расплывчатые фотографии, полученные космическим телескопом им. Хаббла, сформировались гораздо раньше, чем предсказывают теории. Улучшение наблюдений может привести к появлению новых теорий рождения и эволюции Вселенной, говорит Гилмор.


Компьютерное изображение «Европейского экстремально большого телескопа» в пустыне Атакама, Чили. 39,3-метровый E-ELT будет крупнейшим из трёх телескопов следующего поколения.

Новые телескопы со стоимостью от $900 млн до $1,6 млрд за каждый, гигантский Магелланов телескоп (ГМТ), тридцатиметровый телескоп (TMT) и Европейский экстремально большой телескоп (E-ELT) – диаметры сегментированных зеркал которых достигнут 24,5 м, 30 м и 39,3 м соответственно – существенно превзойдут современные телескопы (диаметр зеркала крупнейшего из существующих телескопов составляет 10,4 м). Их мощность превысит современную в 5 – 200 раз, в зависимости от телескопа и задачи.

Университеты, государственные учреждения и другие научные организации всего мира финансируют выбранные ими проекты в обмен на возможность использования телескопа в будущем, объясняет Патрик Маккарти, астроном из обсерваторий института Карнеги в Калифорнии и директор проекта ГМТ. А обладание долей времени использования хорошо скажется на репутации учреждения в будущем, как говорят астрономы, не связанные с этими проектами. «Если у вас не будет такой возможности, вам придётся придумывать что-то своё, чтобы не отстать от конкурентов», – сказал Маккарти.

Три проекта продолжают искать инвесторов, и постепенно подходят к ранним стадиям постройки. Инженеры ГМТ выровняли поверхность на горе в Чили, закончили отливку четырёх из семи зеркал. Проекты TMT и E-ELT (которые будут построены, соответственно, на Гавайях и в Чили), делают тестовые зеркала. Все три группы начали разработку инструментария.

Схожие графики постройки должны приводить к соревнованиям, но всё-таки, хотя каждый телескоп и хвалится своими уникальными характеристиками, дело не в том, кто включится первым. «Вокруг нас есть пространство для множества открытий, так что если вы опоздаете на три года, это не будет означать, что вы потеряли миллиард баксов», – говорит Дэвид Сильва, директор Национальной оптической астрономической обсерватории в Туксоне, Аризона. Она финансируется Национальным научным фондом, ведущим с TMT переговоры о возможном сотрудничестве.


Изображение планетной системы HR8799 со звездой и четырьмя планетами, расположенной в 129 световых годах от нас, полученное обсерваторией Кека на Гавайях.

Телескопы будут достаточно мощными для того, чтобы воочию наблюдать суматоху и толкотню других миров. «Мы только прикоснулись к такой области науки, как изучение экзопланет, и она расцветёт буйным цветом с приходом этих телескопов», – говорит Роджер Эйнджел, астроном из Аризонского университета, курирующий изготовление зеркал для GMT.

Телескопы будут отслеживать изменения спектра, относящиеся к сезонным изменениям – а значит, и активную атмосферу – планет, следующих по орбитам вокруг других звёзд. Они могут даже выведать химические признаки существования внеземной жизни. «Мы ожидаем, что биохимические признаки внеземной жизни должны быть довольно универсальными», – говорит Маккарти. Тогда, как ровер Curiosity ищет такие признаки, копаясь в марсианском грунте, «мы будем делать то же самое для экстрасолнечных планет, но удалённо, при помощи спектроскопии», – поясняет он.

Возможность наблюдать формирование галактики и то, как материя скапливается в космосе, поможет выявить свойства частиц тёмной материи – невидимого вещества, составляющего 84% всей материи Вселенной.

Наблюдая самые экстремальные места Вселенной – края сверхмассивных чёрных дыр – учёные планируют проверить законы ОТО и квантовой механики с беспрецедентной точностью. «Мы будем искать излучение, исходящее при аннигиляции звёзд в процессе поглощения их чёрной дырой, – сказал Гилмор. – То, как будут идти фотоны, с постоянными промежутками или же группами, расскажет нам о структуре пространства-времени вокруг чёрных дыр». Раньше такие наблюдения не были возможны, «поскольку вам нужно очень чётко рассмотреть чёрную дыру, и для этого обладать чрезвычайно большим разрешением».


Современные телескопы могут похвастаться лазерной адаптивной оптикой, устраняющей размытие изображения из-за атмосферы

Схемы телескопов будущего основаны на технологии под названием «адаптивная оптика», удаляющей искажения, которым подвергается свет в турбулентностях земной атмосферы. «Вы используете лазер, чтобы нарисовать в небе искусственную звезду, и затем используете их как базу для определения турбулентности на линии прямой видимости телескопа», – объясняет Сильва. Десятки раз в секунду измерения турбулентности используются для перемещения тысяч актуаторов, соединённых с гибкими зеркалами в телескопе, меняющих их форму и сводящих на нет атмосферные искажения. Адаптивная оптика уже используется в небольших обсерваториях, в том числе в 10-метровых телескопах Кека на Гавайях. Задача адаптации такой технологи для телескопов в 2-4 раза больших по диаметру, «находится на переднем крае вычислений в реальном времени», – сказал Сильва.

Если технология заработает, как нужно, GMT, TMT и E-ELT будут различать оптический и околоинфракрасный свет – самые частые типы электромагнитного излучения Вселенной – так, будто они выведены на орбиту. Космический телескоп Джеймса Уэбба, который должен выйти на орбиту в 2018-м с пятилетней миссией стоимостью в $8 млрд, будет дополнять работу этих обсерваторий, обладая более сильной чувствительностью в областях среднего и дальнего инфракрасного диапазона. Но космические телескопы обычно меньше, более дорогие и меньше живут.

«Не будет ничего удивительного в том, что продуктивное научное время работы этих телескопов составит по 50 лет», – сказал Сильва.

А за это время три телескопа могут поменять области астрономии, физики и космологии. Кроме планируемых экспериментов, учёные надеются увидеть какие-нибудь непредвиденные сюрпризы, сдвигающие парадигмы – так, как в прошлом поколении 4-метровые телескопы открыли, что во Вселенной доминирует загадочная субстанция под названием тёмная энергия. После запуска новых телескопов, говорит Маккарти, «некоторое время мы просто будем внимательно смотреть на некий пустой участок неба, и увидим то, что ранее не видел никто».