Лагунный туман. Изображения предоставлены: НАСА, ЕКА, STSCI.
Начиная с сегодняшнего дня, Земля пройдет через метеоритный дождь. Однако в астрономии человеческий глаз — очень ограниченный инструмент. Однако все более мощные инструменты позволяют нам заглянуть глубже в космос и дальше в прошлое, проливая новый свет на происхождение Вселенной.
Сегодня учёные могут наблюдать экзопланету, вращающуюся вокруг своей звезды, отдельную галактику и даже всю Вселенную. «На самом деле Вселенная состоит в основном из пустого пространства», — говорит Жан-Поль Кнейб, профессор Лаборатории астрофизики EPFL. «Там мало что скрыто».
Главное — знать, что вы ищете, создать правильный инструмент и смотреть в правильном направлении. А потом навести небольшой порядок.
«Наша галактика находится на переднем плане нашего поля зрения и закрывает вид за его пределы», — объясняет Кнейб. «Так, например, если мы хотим нанести на карту водород в ранней Вселенной, мы должны сначала смоделировать весь этот передний план, а затем удалить его из наших изображений, пока не получим сигнал в миллион раз меньший, чем тот, который излучает Млечный Путь».
Галилей мог рисовать только то, что видел в свой телескоп. Но сегодня астрономы могут увидеть всю Вселенную, начиная с ее истоков. Во многом это связано с быстрым развитием используемых ими инструментов. Дальнейшее развитие событий ожидается в ближайшие годы.
Запущенный в декабре 2021 года космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) предназначен для наблюдения за событиями, произошедшими 13 миллиардов лет назад, когда образовались первые звезды и галактики. Радиотелескоп Square Kilometer Array (SKA), который в настоящее время строится и, как ожидается, будет завершен к концу десятилетия, заглянет еще дальше в прошлое, во времена, когда еще не было звезд, а космос состоял в основном из водорода. элемент, который составляет 92% всех атомов во Вселенной.
«Простой способ обнаружить этот газ — работать в радиочастотном диапазоне, и это именно то, что сделает СКА», — говорит Кнейб. «Цель состоит в том, чтобы обнаружить сигнал, который в миллион раз меньше, чем сигналы переднего плана».
Еще один запланированный проект — космическая антенна лазерного интерферометра (LISA) Европейского космического агентства (ESA). Старт запланирован на 2035 год. Антенна предназначена для наблюдения гравитационных волн и, таким образом, предоставления информации о росте черных дыр и, возможно, также о волнах, возникших сразу после Большого взрыва.
Цифровое догоняющее развитие
Эти новые инструменты не были бы столь информативными без достижений в других областях. «В настоящее время у нас нет программного обеспечения для обработки данных СКА», — говорит Кнейб, который уверен, что в конечном итоге мы добьемся этого благодаря достижениям в области вычислений, искусственного интеллекта (ИИ) и вычислительной мощности. ИИ бесценен для сортировки огромных объемов данных в поисках интересной аномалии и, например, для расчета массы галактик.
«Ученые могут использовать гравитационное линзирование, при котором крупный объект преломляет свет от удаленного источника, чтобы рассчитать массу скоплений галактик с точностью до одного процента, как если бы они использовали весы», — объясняет Кнейб. «И мы можем научить модели ИИ обнаруживать искажения изображений, вызванные гравитационным линзированием. Учитывая, что во Вселенной, вероятно, 200 миллиардов галактик, это огромная помощь – даже если мы сможем измерить массу только одной галактики из тысячи».
Но показывают ли изображения, которые мы видим, то, что там на самом деле? Знаменитое изображение, опубликованное в 2019 году, показывает световое кольцо в форме пончика, окружающее черную дыру. Увидим ли мы это кольцо, если приблизимся к нему?
«Это была не оптическая фотография», — говорит Кнейб. «Это было чисто цифровое изображение. Чтобы точно наблюдать сигналы миллиметрового диапазона, излучаемые черной дырой, ученым пришлось объединить несколько наземных телескопов, чтобы создать один размером примерно с Землю. Затем изображение было реконструировано с помощью интерферометрии. [a measurement method using wave interference].
«Но изображение по-прежнему представляет собой реальный сигнал, который связан с количеством материи в пылевом облаке, окружающем черную дыру. Проще говоря, темная часть — это черная дыра, а более яркая часть — материя, вращающаяся вокруг нее».
Видеть в четырех измерениях
«В астрономии расчеты — это всего лишь часть уравнения: вы должны уметь визуализировать вещи. Это также помогает вам проверить, верны ли расчеты», — говорит Кнейб, который сделал величественное изображение туманной лагуны на расстоянии 4000 световых лет от нас. как книга.
«Это изображение было создано с помощью оптических наблюдений на разных длинах волн, чтобы показать различные газы. Конечно, для улучшения цветов потребовалась небольшая художественная работа. Но изображение также имеет большое значение для физиков. Цвета показывают присутствие различных газов на поверхности : красный — водород, синий — кислород и зеленый — азот. Компактные черные области содержат большое количество пыли. Обычно это области формирования звезд.
Визуализация особенно важна при наблюдении объектов в более чем двух измерениях. «Изучая космос в трех измерениях, мы можем измерить расстояние между небесными телами», — говорит Кнейб.
В начале апреля ученые из проекта «Спектроскопический инструмент темной энергии» (DESI), в том числе астрофизики из EPFL, объявили, что они создали самую большую трехмерную карту галактик и квазаров Вселенной.
Но это еще не все: исследователи также изучают Вселенную в четвертом измерении — времени — и тем самым открывают невероятные возможности для наблюдения ярких, но мимолетных явлений. «Например, мы пока не совсем понимаем происхождение быстрых радиовсплесков. «Это невероятно яркие всплески электромагнитного излучения, которые длятся максимум несколько секунд, иногда даже доли миллисекунды», — говорит Кнейб.
Сможем ли мы когда-нибудь найти жизнь на экзопланете? Кнейб отвечает: «Используя инфракрасную интерферометрию, существует очень реалистичная перспектива того, что мы сможем сфотографировать планету, вращающуюся вокруг другой звезды. Изображение, вероятно, будет размытым, но мы сможем наблюдать и охарактеризовать такие особенности, как облака и структурные изменения на поверхности планеты. Это определенно возможно, может быть, через 20 или 30 лет».
Однако на некоторые фундаментальные вопросы мы вряд ли сможем найти ответы только с помощью методов визуализации. Почему Вселенная расширяется все быстрее и быстрее? Это из-за темной энергии? Почему 80% материи невидимо? Неужели мы совершенно не правы в своем предположении о гравитации? Будущие поколения астрофизиков будут пристально смотреть на небо или смотреть на экраны, пытаясь разгадать глубочайшие загадки нашей Вселенной.
Информация от: Федеральной политехнической школой Лозанны.
