Aeon (Великобритания): монстры во мраке

Впервые я увидел Млечный путь, когда мне было лет десять. В деревне, куда я приехал на каникулы, в блаженной дали от навязчивого света городских огней, ночное небо открылось мне таким, каким я еще никогда не видел его прежде. Разумеется, на нем было больше звезд, но меня поразило и нечто совершенно новое: огромная серебристая полоса света, дугой раскинувшаяся на небосводе. На протяжении большей части человеческой истории Млечный Путь оставался для людей своего рода загадкой. В разных культурах мы находим множество народных сказаний и прочих объяснений этого феномена, которые поражают своим разнообразием. У римлян есть история о богине, проливающей молоко по небу (откуда и возник термин «Млечный Путь»), и множество историй о небесных реках на небосводе. Моя любимая версия — легенда племени чероки, согласно которой собака украла корзину с кукурузной мукой и, убегая, оставила позади себя след. Чероки называют Млечный Путь gi li 'ut sun stan un' 'yi — «дорога, по которой убежала собака». Именно астроном Томас Райт (Thomas Wright) в 1750 году впервые описал нашу галактику так, как ее понимает современная наука: огромный диск из звезд, удерживаемых вместе теми же гравитационными силами, которые определяют облик Солнечной системы, хотя и в несравнимо больших масштабах. Наш Млечный Путь — это спиральная галактика внушительного размера, состоящая из примерно 200 миллиардов звезд и простирающаяся на сто тысяч световых лет. Если эти цифры кажутся вам трудно представимыми, скажем сразу — не только вам одним: вплоть до начала 20-го века астрономы полагали, что это до нелепого гигантское образование должно представлять всю материальную Вселенную. Так что, когда в 1924 году Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) продемонстрировал, что наш Млечный Путь — всего лишь один крошечный уголок Вселенной, включающей в себя сотни миллиардов галактик всевозможных форм и размеров, это стало для всех неожиданным сюрпризом. Почему галактики вообще существуют? Почему сходятся основные законы природы и производят Вселенную, наполненную этими абсурдными в своей необъятности и ни с чем не сравнимыми по красоте структурами? За прошедшее столетие астрономы сложили большую часть этого пазла. В гладкой, однородной Вселенной на ранних стадиях ее существования крошечные квантовые флуктуации служили своеобразными семенами, растущими под воздействием гравитации и в конечном итоге формирующими то, что мы называем современными галактиками: эти массивные, сложные и упорядоченные системы газа, пыли и звезд. Но некоторых элементов головоломки по-прежнему не хватает — и чтобы найти ответы, мы должны смотреть дальше. Если мы «уменьшим масштаб» и охватим взглядом наших космических соседей, нам откроется разнообразие типов галактик. Наша «Местная группа» галактик представляет собой целый галактический зоопарк: сюда входят не только две большие спирали Млечного Пути и Андромеды, но и маленькая рыхлая на вид Галактика Треугольника и более 50 более мелких карликовых и неправильных по форме галактик. Учитывая такое разнообразие вполне логично выглядит предположение о том, что Местная группа предоставляет нам довольно хороший перечень типов галактик. Однако один из них все-таки отсутствует. Самые крупные галактики в нашей Вселенной настолько редки, что они не фигурируют в нашей маленькой Местной группе. Имеются в виду «гигантские эллиптические» галактики, причем самые обширные из них — гиганты — затмят даже наш Млечный Путь. К примеру, галактика IC 1101 имеет миллионы световых лет в диаметре — ее размеры позволяют ей поглотить Млечный Путь, Андромеду и все пространство между ними. Помимо своих грандиозных масштабов, эти гигантские эллиптические галактики обладают еще одним необычным свойством: все они мертвы. Такое определение может показаться странным применительно к галактике. Однако оно служит для противопоставления их галактикам вроде тех, которые входят в нашу Местную группу и активно формируют новые звезды. Галактики, которые создают звезды (например, наш Млечный Путь), полны гигантских межзвездных газовых облаков диаметром в несколько световых лет, путешествующих в космическом пространстве. Правда эти газовые облака отличаются неустойчивостью, и, если их потревожат — скажем, находящаяся неподалеку супернова — они распадаются на части и разрушаются под действием собственной силы тяжести, превращаясь в звезды. Создание звезд — абсолютно нормальный процесс для многих галактик: наш собственный Млечный Путь производит одну или две новые звезды каждый год в таких участках, как Туманность Ориона. Но массивные эллиптические галактики не образуют новых звезд и не делали этого в течение миллиардов лет. Они «мертвы». И подобно тому, как палеонтолог, обнаруживший окаменелости динозавра, может на их основе прийти к выводу о существовании гигантского существа, астроном, который сталкивается с гигантской мертвой галактикой, может заключить, что это обломки поистине титанической системы, которая жила в глубоком прошлом Вселенной. Правда астрономы имеют перед палеонтологами одно преимущество: у нас есть возможность отправиться на реальные поиски наших динозавров. И чтобы сделать это, нам необходимо совершить путешествие во времени. К счастью, осуществить это не так сложно, как кажется — благодаря высокой скорости света. Волна света, испускаемая звездой, несется по Вселенной со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Но несмотря на эту абсурдную скорость свету все равно нужно время для движения. Свет от Луны достигает Земли с опозданием примерно в одну секунду, а свету от Солнца — расположенного на расстоянии около ста миллионов миль — для такого путешествия требуется восемь минут. И подобно тому, как письмо может немного задержаться на почте (и таким образом становится «устаревшими новостями» к тому моменту, как мы его получим), свет также приносит нам сообщения из прошлого. Кстати, это так же верно в отношении земной реальности, как и в отношении космоса: когда вы сидите с кем-то за столом, на самом деле вы видите этого человека таким, каким он был долю секунды назад. Но на астрономических расстояниях такая разница во времени действительно может накапливаться. Соседние звезды позволяют нам оглядываться на десятилетия назад, и мы видим близлежащие галактики, например, нашего ближайшего соседа Андромеду, такими, какими они были миллионы лет назад. Но даже миллионы лет — мелочи по сравнению со Вселенной в целом. Если мы хотим отправиться на поиски наших космических монстров, живших в далеком прошлом, нам нужно возвращаться на миллиарды лет назад. То есть отправляться в по-настоящему далекое путешествие. Один из лучших снимков нашей далекой Вселенной был получен космическим телескопом «Хаббл» в течение десяти дней подряд в 1995 году. Эта фотография, известная как «Глубокое поле Хаббла» (‘Hubble Deep Field'), представляет собой изображение крошечного клочка неба размером примерно в одну десятую ширины полной луны, которое собиралось на протяжении нескольких сотен часов. Пойдите и взгляните на это изображение сейчас — возможно, это одна из самых впечатляющих фотографий, которые когда-либо удавалось сделать человеку. На первый взгляд перед нами звездное ночное небо, но, если приглядеться повнимательнее, происходит головокружительный сдвиг перспективы: все, что мы видим на снимке, это галактики. Даже самые тусклые, едва уловимые взглядом красные точки представляют собой отдельные галактики, которые мы видим в миниатюре из-за разделяющих нас миллиардов световых лет. Самые отдаленные (а следовательно, самые древние) галактики жили почти 13 миллиардов лет назад. Правда в этот момент наша экспедиция по охоте на монстров наталкивается на препятствие. Даже такое изображение, как «Глубокое поле Хаббла» и его преемники, на которых мы видим тысячи галактик, уходящие в бездонный водоворот космического времени, не содержит в себе ничего даже отдаленно напоминающего предка гигантских мертвых галактик, которые существуют в нашей современной Вселенной. Эти «красные и мертвые» гигантские галактики должны как-то расти, а миллиарды рождающихся звезд должны выглядеть как своего рода космическое шоу фейерверков. Но в «Глубоком поле Хаббла» нет ничего, что хотя бы отчасти могло уподобиться титаническому строительному проекту, необходимому для создания гигантской галактики. Пока они остаются для нас загадкой. А причина в том, что «Глубокое поле Хаббла», каким бы впечатляющим оно ни казалось, есть лишь небольшая часть общей картины. Хотя этот снимок демонстрирует галактики на протяжении большей части космической истории, при его создании использовался только «оптический» свет — волны, длину которых мы можем видеть собственными глазами. Между тем видимый свет составляет лишь небольшой участок обширного спектра. Остальная часть спектра — весь тот свет, который мы не видим, другими словами, начиная с радиоволн и заканчивая высокоэнергетическими рентгеновскими лучами — также сообщает нам информацию о Вселенной. Волны другой длины могут нарисовать совершенно иную картину нашего космоса. В 1880 году американскому астроному Самуэлю Пирпонту Лэнгли (Samuel Pierpont Langley) удалось создать весьма примечательное устройство, благодаря которому можно было обнаружить корову на расстоянии около четверти мили. Возможно, это изобретение не тянет на то, чтобы войти в книжки по истории, но главной его особенностью была длина волны света, которую использовал ученый. Лэнгли создал первый в истории «болометр», телескопический детектор тепла, способный различать очень длинные волны инфракрасного излучения. Болометры использовались для исследования космического пространства с самого начала: Лэнгли, к примеру, применял свое новое изобретение в ходе наблюдений за тепловым излучением Солнца. Однако на протяжении почти всего 20-го столетия болометры представляли собой довольно ограниченные однопиксельные устройства, в результате получить реальное изображение того или иного объекта было делом ужасно трудоемким и хлопотным (представьте себе необходимость использовать однопиксельную камеру телефона). Значительный скачок вперед произошел в 1990-е годы, когда ученые узнали, как соединить вместе несколько болометров, чтобы создать мультипиксельную камеру. И после этого новые «болометрические камеры» можно было использовать для съемки Вселенной с помощью длинноволнового инфракрасного излучения. Не будет преувеличением сказать, что это была настоящая революция в астрономии. Новые волны, в тысячи раз длиннее тех, что способен различить наш глаз, открывали совершенно новое окно во Вселенную. Одна из первых болометрических камер, прибор под названием SCUBA, прикрепленный к телескопу на Гавайях, по количеству проведенных с его помощью важных астрономических исследований уступает лишь космическому телескопу «Хаббл». Так какое отношение это имеет к охоте на пропавшие монструозные галактики, затаившиеся в предыстории Вселенной? Ответим: длинные световые волны являются хорошим подспорьем в поиске скрытых вещей. Пожарные, входя в горящие здания, теперь используют инфракрасные камеры, которые способны «видеть» в диапазоне длинных световых волн. Эти длинные волны с легкостью проходят сквозь пыль и дым, выявляя скрытые объекты, в данных условиях не доступные человеческому глазу. И та же самая хитрость работает в случае астрономии: наблюдение за Вселенной на волнах большой длины с помощью болометрической камеры позволяет делать невидимое видимым. И что же увидели астрономы, повернув эти новые камеры в небо? Что же, оказалось, что длинноволновая Вселенная выглядит крайне непривычно по сравнению со Вселенной, которую мы знаем. Если вы сравните два снимка одного и того же участка неба: один, сделанный в оптическом свете, а другой — с помощью болометрической камеры — вы никогда не догадаетесь, что на них изображен один и тот же объект. То, что нашему глазу кажется ярким, в дальней инфракрасной области спектра может показаться блеклым и неинтересным. Но верно и обратное. Первые длинноволновые снимки неба показали нам ранее не видимую вселенную: россыпь горящих пронзительным светом галактик, которые не различают обычные телескопы, сияющих из темноты, как огромные космические маяки. Новые галактики! Это было похоже на магический трюк. Но самое захватывающее состояло не только в том, что эти новые галактики ранее были невидимы. А в том, что они оказались совершенно новым типом галактики — новым галактическим видом. Астрономы каталогизируют галактики на протяжении многих сотен лет, разделяя их на «спиралевидные», «эллиптические» и так далее. Но эти новые галактики казались совершенно неизвестным видом. Такого рода вещи стали бы открытием всей жизни для любого, кто изучает мир природы. Представьте, что вы биолог, надеваете инфракрасные очки и сталкиваетесь лицом к лицу с новым видом, ранее скрытым для наших глаз! Новые галактики были названы субмиллиметровыми галактиками (или сокращенно SMG — астрономы любят аббревиатуры). Определение «субмиллиметровые» несколько сбивает с толку, так как наводит на мысль о чем-то крошечном — на самом деле речь идет о диапазоне длин волн, в котором осуществляется их поиск. Вопреки названию SMG — это гигантские, несусветные чудища. Так на что похожи наши недавно открытые галактики? И могут ли они быть теми самыми пропавшими галактиками-«динозаврами», которые в конечном итоге вымерли и оставили нам россыпи «красных мертвых» гигантов во Вселенной? Есть целый ряд вещей, которые мы можем узнать о галактиках: например, насколько они далеко, каков их размер и из чего они сделаны. Также полезно знать, насколько быстро протекает в них процесс звездообразования — индикатор скорости роста галактики. С какой стороны ни посмотри, этот новый вид галактик оказывается рекордсменом. Пожалуй, речь идет о самых крупных и самых далеких галактиках из обнаруженных человеком и к тому же с самой высокой скоростью формирования звезд. Разумеется, все галактики расположены «действительно очень далеко»: космос — это обширное пространство. Однако расстояния до этих новых галактик поражают воображение. Одна хорошо изученная нами галактика (с хитроумным названием «SMM J123711.86 + 622212,6») расположена на расстоянии около 24 миллиардов световых лет. По сравнению с нею Андромеда и остальные галактики местной группы оказываются просто у нас на задворках. Столь далекое расположение, безусловно, означает, что эти галактики невероятно древние; наблюдая их, мы возвращаемся на более чем десять миллиардов лет назад. Но главная особенность этих галактик заключается в невероятной эффективности звездообразования. Как я уже говорил, таково свойство большинства галактик. Типичная ближайшая к нам галактика, которая отличается особенной звездной продуктивностью, может производить около ста новых звезд в год. Но это ничто по сравнению с тем, какие результаты демонстрируют эти новые субмиллиметровые галактики. Одна такая галактика способна создавать тысячи новых звезд в год — это самые мощные и эффективные звездные фабрики во всей Вселенной. С ними едва ли что-то может сравниться. И именно этот тип галактики с течением миллиардов лет превращается в красного и мертвого гиганта. Похоже, что благодаря новому длинноволновому проникновению в невидимую вселенную нам наконец-то удалось найти наших динозавров. Как так вышло, что все это время мы не знали об этих удивительных галактиках? Если они действительно настолько безграничны, почему нашим телескопам не удавалось их обнаружить? Ответ на этот вопрос звучит на удивление приземленно: они слишком пыльные. Космическая пыль — это море крошечных дымных частиц, содержащих тяжелые элементы, такие как силикаты и оксиды. Все галактики окружены пылью, которая очень хорошо блокирует свет (пыль в нашей собственной Галактике формирует темные полосы Млечного Пути). Однако у SMG особенно много пыли, которая является побочным продуктом образования всех тех миллионов звезд. На самом деле облако пыли настолько плотное, что почти весь их оптический свет задерживается в нем, в результате галактики оказываются невидимыми для наших глаз. Но, подобно пожарным, использующим инфракрасные очки для поисков в задымленных помещениях, мы с помощью наших инфракрасных телескопов теперь можем пронзать взглядом густую дымку, чтобы обнаружить скрытые в ней монструозные галактики. Мы по-прежнему знаем об этих галактиках довольно мало. На таких гигантских расстояниях в миллиарды световых лет SMG кажутся не более чем слабыми нечеткими сгустками даже через наши самые мощные телескопы. В результате, изучение самых базовых характеристик этих галактик — таких как форма и структура — не может обходиться без внушительной доли теоретических догадок. Ввиду действующих внутри них титанических сил эти галактики должны представлять собой хаотические, кружащиеся водовороты из газа, ветра и света. Но являются ли они «увеличенной» версией известных нам галактик или имеют в значительной степени чужеродную структуру, мы пока не знаем. Лишь недавно мы отметили 20 лет с момента их обнаружения, так что астрономов можно простить за отсутствие полной картины. До сих пор не совсем ясно, какие силы определяют столь необычное звездообразование: происходит ли оно в результате столкновения двух гигантских галактик? Или на галактику, подобно большому космическому водопаду, льется газ (топливо для формирования звезд), запуская настоящее фейерверк-шоу из новых звезд? В настоящий момент мы не знаем этих деталей. Также не совсем ясно, как эти галактики «умирают». Каким образом они превращаются из ярких космических электростанций в далекой Вселенной в «красные и мертвые» окаменелости, с которых началась наша история? Ответ на этот вопрос может скрываться в самом ядре этих чудовищных галактик. Все обширные галактики, включая наш Млечный Путь, имеют в своем центре сверхмассивную черную дыру, и SMG здесь не исключение. Считается, что взаимодействие между центральной сверхмассивной черной дырой и более широкой галактикой может в конечном итоге выкачать из галактики газ, потушить пожар звездообразования и направить галактику на путь превращения в «красную и мертвую» реликвию. Но пока мы не совсем понимаем, как SMG взаимодействуют со своими черными дырами. Возможно, чтобы ответить на все эти вопросы, нам придется дождаться создания мощных телескопов следующего поколения — к примеру, космического телескопа НАСА имени Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope), который является преемником «Хаббла», и футуристического радиотелескопа, который представляет собой антенную решетку площадью в квадратный километр (‘Square Kilometre Array' radio telescope) — оба проекта планируется завершить в 2020-е годы. В науке часто бывает так, что наше понимание Вселенной идет в ногу с развитием технологий. Ведь такие объекты, как далекие галактики — которые находятся на грани наблюдаемости и простираются в той области, где сходятся знание и тайна — стоят в ряду самых волнующих явлений нашего мира. Я по-прежнему люблю смотреть на Млечный Путь. Одно из главных преимуществ работы астрономом — это возможность наблюдать ночное небо в тех уголках планеты, где отсутствует искусственный свет и наша Галактика разворачивается на небосводе как причудливый гобелен. В детстве меня более всего потрясло ощущение тайны и благоговейного страха перед огромными и древними силами, создавшими подобное зрелище. То, что в истории человечества наконец наступил момент, когда мы начинаем понимать эти силы и видеть Вселенную такой, какая она есть, приводит меня в невероятный восторг.