Атлас звездного неба: зачем орбитальный телескоп SPHEREx cфотографирует 500 000 000 галактик 0

Агентство NASA запускает инфракрасный космический телескоп SPHEREx. Во-первых, он прольет свет на раннюю историю Вселенной и, может быть, даже на саму причину Большого взрыва. Во-вторых, поможет узнать, как в зарождающихся планетных системах возникает вода и другие непременные ингредиенты жизни.

Вселенная расширяется с почти постоянной скоростью. Исходя из этой скорости, легко вычислить, что расширение началось примерно 13,8 миллиардов лет назад. Этот момент и называется Большим взрывом.

Главное, чего мы не знаем о Большом взрыве — это почему он произошел. Иногда можно услышать такой ответ: Большой взрыв — это начало времени, пространства, материи и физических законов. Бессмысленно спрашивать о причинах события, до которого не было ничего, что могло бы послужить его причиной. Это не лишенное изящества рассуждение напоминает ответ блаженного Августина на вопрос, чем занимался Бог до сотворения мира: когда не было времени, не было и «до того».

Однако в действительности нет никаких оснований считать Большой взрыв началом Вселенной. Правильнее сказать, что это начало Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем. Да, спустя ничтожные доли секунды после Большого взрыва вещество было слишком плотным и горячим даже для существования атомных ядер, не говоря об атомах, молекулах и звездах. Но элементарные частицы уже существовали. Почему бы каким-то частицам или полям — быть может, еще неизвестным науке — не существовать и до Большого взрыва?

Самый неприятный факт состоит в том, что у нас нет ни одной надежной физической теории, которая хорошо работала бы в самый момент Большого взрыва и тем более до него. У физиков есть две теории, описывающие самые глубокие и фундаментальные законы. Первая — общая теория относительности (ОТО). Она занимается пространством, временем и гравитацией в астрономических масштабах. ОТО хорошо описывает тяготение звезд, черных дыр и галактик. Но уже в масштабах Земли эффекты ОТО почти незаметны: чтобы их выявить, требуются чрезвычайно точные измерения. Вторая фундаментальная модель — квантовая теория поля (КТП). Она описывает свойства элементарных частиц. Когда вещество собирается хотя бы в масштабах стакана воды, квантовые эффекты становятся исчезающе малыми.

Сложность в том, что ОТО и КТП математически противоречат друг другу. Обычно это не мешает ученым, ведь трудно придумать условия, в которых обе теории понадобились бы одновременно. Когда это астрономические массы вещества были упакованы внутри, скажем, диаметра протона? Никогда, кроме… Большого взрыва. Вся материя наблюдаемой Вселенной происходит из микроскопической области пространства. В таких условиях чудовищные гравитационные поля должны были сочетаться с квантовыми эффектами. Никто еще не придумал теории, описывающей такую ситуацию без натяжек и спорных моментов. А если бы и придумал, не смог бы проверить: ни одна экспериментальная установка пока не может воссоздать условия, достаточно близкие к Большому взрыву.

Выбор начала мира

Конечно, это не значит, что теоретики бессильно опустили руки перед загадкой. Пусть никто не построил полноценную теорию, примиряющую ОТО и КТП, физики не сомневаются, что такая теория возможна. То есть ОТО и КТП, несмотря на все их величие — лишь частичные и несовершенные описания природы. За ними должна стоять единая модель, разрешающая все противоречия. А если так, можно взять из обеих теорий самые удачные кусочки и попытаться сшить их «на живую нитку». Так и рождаются заманчивые гипотезы, объясняющие причины Большого взрыва.

Но как их проверить? Мы не можем устроить Большой взрыв в лаборатории, что, наверное, и к лучшему. Но быть может, нам удастся вывести прошлое космоса из его настоящего? В конце концов, наука об истории Вселенной — космология — все время этим занимается. Скажем, образование первых атомов мы представляем себе довольно точно, хотя его тоже никто не видел.

SPHEREx поможет с выбором из множества теорий. Хотя он вряд ли подскажет единственную верную модель, он должен серьезно сузить набор вариантов.

Всемирная инфляция

Самая популярная идея, объясняющая Большой взрыв — это идея инфляции. Она гласит, что до «часа X» Вселенная была заполнена неким полем или полями. Энергия этого поля в среднем по всему пространству была равна нулю. Но это была «средняя температура по больнице». Энергия в каждой точке случайным образом колебалась вокруг нуля, становясь то положительной, то отрицательной (так положено по квантовым законам). Мелкие колебания происходили постоянно, крупные — очень редко. Однажды в микроскопической области пространства произошло слишком крупное колебание. Из-за него эта малая область начала взрывное расширение — инфляцию («раздувание»). За первые 10-35 секунды объем раздувающейся области увеличился, по разным оценкам, в 1030-1080 раз. Инфляция быстро прекратилась, но за это время микроскопический объем раздулся до всей наблюдаемой нами части Вселенной. Дальше расширение продолжилось уже «по инерции» с современной скоростью. Если оставить в стороне некоторые нюансы, начало инфляции и есть Большой взрыв.

Есть много разных вариантов этой теории. Они различаются полями, ответственными за начало инфляции, скоростью раздувания и другими деталями. К счастью для космологов, разные варианты инфляции 13,8 миллиардов лет назад приводят к разному распределению галактик в наше время. Различия тонкие, но они есть, и SPHEREx будет их искать.

Для этого он пронаблюдает почти 500 000 000 галактик по всему небу. Свет от самых далеких из них шел до Земли более 10 млрд лет. За это время световые лучи превратились в инфракрасные из-за расширения Вселенной, но SPHEREx — это как раз инфракрасный телескоп. Он измерит расстояние от Земли до каждой «подшефной» галактики. Таким образом, астрономы нанесут полмиллиарда объектов на трехмерную карту Вселенной. Это будет одна из лучших подобных карт по сочетанию охвата и точности. Она позволит отбросить одни варианты инфляции и оставить другие для дальнейшей проверки. По крайней мере, исследователи надеются узнать, одно поле стало причиной «раздувания» или несколько.