У червні, аспірантка кафедри біології Вашингтонського університету Елеонора Лутц, склала найдетальнішу карту орбіт всіх планет та космічних тіл в Сонячній системі — крім восьми планет, в неї увійшли орбіти 18 тис. астероїдів.
Картографування космосу — поширене захоплення серед вчених та астрономів-любителів: за останні 400 років з'явилося понад 2 тис. таких карт. Ми розповімо про найбільш амбітні проекти картографування Всесвіту та спробуємо з'ясувати, як карти допомагають забезпечити Землі безпеку, а науці — розвиток.
Першим кроком у відкритті нового кордону, будь то раніше невідомий острів, край тектонічної плити або нові астрономічні об'єкти, є її фіксація на папері, камені, дереві або іншому носії.
Найдавніше зображення сузір'я створено в пізньому палеоліті — давні предки людини, які емігрували з Азії в Європу, нанесли зображення Пояса Оріона на бивень мамонта понад 32,5 тис. років тому.
Через тисячі років перші астрономи спробували зафіксувати на папері положення зірок на нічному небі — так з'явилися повні зоряні карти. Перша з них датована 650 роком нашої ери. Зоряний атлас намальований в китайському місті Дуньхуані невідомим астрономом на аркуші паперу, а потім був захований в нішу храму. Знайти атлас вдалося лише у 1907 році — оригінал зберігається в Британській бібліотеці досі.
Зоряний атлас з Дуньхуану
Протягом десяти століть після створення атласу з Дуньхуану, принципово нових карт зоряного неба не з'являлося — для астрономів того часу космос був обмежений тільки об'єктами, видимими неозброєним оком, найяскравішими зірками та планетами. Ситуація змінилася з появою перших телескопів у XVII столітті. Вони просунули середньовічну астрономію далеко вперед, попри те, що могли забезпечити тільки трьох- або чотириразове збільшення об'єктів спостереження.
У XVIII-XX століттях астрономія швидко розвивалася, а кордони карти зоряного неба істотно розширювалися. У 1785 році, музикант Вільям Гершель, за допомогою саморобного телескопа, визначив кордони та форму Чумацького шляху, а з прийняттям Астрономічної шкали відстаней, спектроскопія (аналіз зоряного світла по довжині хвилі) та астрофотографія з тривалою експозицією, дозволили спостерігачам дізнатися спин, магнітне поле та склад зірок, визначити їх відносний рух і розгледіти туманності, галактики та тьмяні зірки, які до цього не вдавалося побачити в телескоп.
Зображення Чумацького шляху, Вільям Гершель
Астроном Едвін Хаббл, на честь якого названий орбітальний телескоп Hubble, у 1923 році, за допомогою астрофотографії визначив, що галактика Андромеда розташована окремо від Чумацького шляху. Це підтвердило гіпотезу про існування у Всесвіті безлічі галактик. Знімки Хаббла істотно змінили, існуючу на той момент, карту зоряного неба і дали простір для її розширення та доопрацювання.
Перший знімок Оріона, виконаний за допомогою астрофотографії
Для чого потрібні карти зоряного неба?
Картографування космосу допомагає вирішити безліч питань — багато яких так чи інакше стосуються безпеки Землі. Йдеться про відстеження траєкторії астероїдів та визначенні ймовірності зіткнення з нашою планетою, пошуку нових світів на випадок, якщо зміни клімату, космічні події або інші фактори змусять людей покинути Землю, про глобальну економічну кризу, до якого призведе виснаження корисних копалин на нашій планеті.
Щоб визначити траєкторію астероїда, потрібно знати, де він знаходиться та по якій орбіті обертається. Для висадки на потенційно придатні для життя планети, потрібно знати, скільки й куди летіти. Щоб знайти позаземне джерело ресурсів, потрібно знати, де знаходяться відповідні астероїди для їх видобутку, а які планети краще перетворити в космічний заповідник.
Розташування та траєкторія руху галактик також важливі — наприклад, моделювання, засноване на положенні Чумацького шляху та Великої Магелланової хмари, показало, що через 2 млрд років ці галактики зіткнуться. Ця подія розбудить величезну чорну діру в центрі Чумацького шляху, яка зруйнує всю галактику, а разом з нею знищить і Землю.
Положення на мапі та стан зоряних систем в периферійних областях дозволяє визначити, які події відбулися з самою галактикою в минулому. Як у випадку з гігантським гало Чумацького шляху з газу та пилу, яке виникло в результаті зіткнення нашої галактики з компактним сусідом близько 10 млрд років тому.
Інше завдання картографування — отримання наукових знань про процеси, що відбуваються у Всесвіті. Знання про розташування галактик, зоряних систем та інших об'єктів в просторі, не дозволить орієнтуватися в далекому космосі, зате допоможе відповісти на питання, скільки темної матерії та темної енергії знаходиться у Всесвіті — і навіть зрозуміти, як вона розвивалася на ранніх етапах свого існування.
Найбільша 3D-карта Всесвіту та погляд через темну матерію
Творці перших карт зоряного неба намагалися зрозуміти, як працюють фізичні закони на Землі та який вплив на нашу планету надають інші космічні тіла. Сучасні астрофізики намагаються зрозуміти закони існування Всесвіту. Технічний прогрес дозволяє їм ставити більш амбітні завдання, ніж точкове спостереження за астрономічними об'єктами через наземні та орбітальні телескопи.
SDSS
У травні 2017 року, астрономи з об'єднання Sloan Digital Sky Survey (SDSS) оголосили про створення найбільшої тривимірної карти Всесвіту, використовуючи в якості орієнтирів квазари та молоді галактики з надмасивними чорними дірами в центрі. Коли надмасивна чорна діра поглинає матерію з галактики навколо неї, температура в її акреційному диску збільшується, створюючи квазар, який є надзвичайно яскравим.
Акреційний диск, це газовий диск, який утворюється навколо компактних зоряних залишків: білих карликів, нейтронних зірок та чорних дір. Цей диск складається або з речовини, яку захоплено з поверхні сусідніх зірок, або яка є залишками розірваних зірок або ж є міжзоряним середовищем. Акреційні диски грають ключову роль в механізмі гамма-сплесків, які супроводжують злиття нейтронних зірок та колапс ядер наднових зірок. В результаті таких подій, диск розігрівається та випромінює інфрачервоні хвилі, які можуть зафіксувати вчені на Землі.
За допомогою телескопа Sloan Foundation дослідники вирахували точні тривимірні положення для більш ніж 147 тис. квазарів.
На сайті SDSS опублікована частина карти. Зліва на малюнку зображена Земля, праворуч — межа спостережуваного Всесвіту. Тимчасова шкала показує, скільки світло від об'єкта йшло до нашої планети. Повна версія з можливістю збільшення, на жаль, доступна тільки вченим.
Тривимірна карта Всесвіту від SDSS
DES
13 квітня 2015 року, вчені з об'єднання Dark Energy Survey (DES), на засіданні Американського фізичного товариства представили першу карту темної енергії.
За допомогою 570-мегапіксельної камери, прикріпленої до телескопа Victor Blanco в Чилі, астрономи, на той момент, проаналізували два мільйони галактик, а потім розрахували, скільки темної енергії повинно бути між ними, щоб викликати будь-яке спотворення, що можливо побачити с Землі. В результаті вчені склали безпрецедентно детальну карту, яка охоплює 3% зоряного неба.
За чотири роки після виступу в Американському фізичному товаристві, дослідникам вдалося зібрати дані ще про 280 млн галактик — зараз учасники об'єднання аналізують дані та у 2020 році представлять карту темної матерії, яка охопить 8% зоряного неба.
CHIME
Канадський експеримент з картування інтенсивності водню (CHIME), замість квазарів орієнтується на водень. Приблизно через мільярд років після народження Всесвіту, після Великого вибуху, нейтральний водень, який заповнював весь Всесвіт, перетворився в іонізований. Цей процес відомий як «епоха реіонізаціі» та є ключем до пізнання природи Всесвіту, яким ми його бачимо зараз.
Хоча вчені в загальних рисах уявляють собі послідовність подій, вони досі не знають, як Всесвіт наповнився достатньою кількістю випромінювання, щоб перейти на новий етап свого розвитку та що послужило цьому причиною.
У CHIME вважають, що уловлювання іонізованого водню дозволить не тільки зрозуміти механізм будови Всесвіту, а й дасть можливість побудувати наймасштабнішу тривимірну карту простору.
Радіотелескоп CHIME являє собою чотири напівтрубки, які разом займають територію, рівну футбольному полю. На ньому встановлено близько тисячі антен, які вловлюють радіохвилі, а потім кілька сотень потужних процесорів аналізують дані.
Основна мета проекту — демістифікація темної енергії, явища, що стимулює розширення Всесвіту — шляхом створення першої детальної карти раніше непроникної для телескопів частини Всесвіту.
Канадський експеримент з картування інтенсивності водню (CHIME)
DESI
У 1998 році вчені виявили, що розширення Всесвіту прискорюється. Фізики не знають, як або чому Всесвіт прискорюється назовні, але вони дали таємничій силі, що стоїть за цим явищем, ім'я — темна енергія.
Вчені багато знають про вплив темної енергії, але не знають, що це таке. Космологи вважають, що 68% всієї енергії Всесвіту має бути зроблено з матерії. Один зі способів краще зрозуміти темну енергію та її ефекти — створити докладні карти Всесвіту, які дозволять стежити за швидкістю його розширення.
Створити таку карту намагаються вчені з проекту DESI — вона повинна охопити 11 млрд світлових років та понад 35 млн галактик і квазарів. Спектроскопічний інструмент темної енергії — так розшифровується абревіатура DESI — буде вимірювати спектри світла, що виходить від галактик, щоб визначити їх відстані від Землі.
Вивченням та картографуванням космосу займаються не тільки перелічені в цій статті дослідницькі групи. Безліч космічних апаратів, що борознять простори Всесвіту, теж приймають в цьому безпосередню участь. Нагадаємо, що зовсім недавно, агентство NASA випустило повний космічний відеоатлас з 4000 відомими екзопланетами, а за допомогою приладу NASA NICER (Neutron star Interior Composition Explorer), був зроблений унікальний за своєю красою та незвичайністю, рентгенівський знімок нашого Всесвіту.
