Камеры Тони Тайсона раскрыли тёмное содержимое Вселенной. Теперь, с камерой обсерватории Рубина с разрешением 3,2 миллиарда пикселей, он готов изучать тёмную материю и тёмную энергию с беспрецедентной детализацией.
Рэйчел Буялски для журнала Quanta
23 июня 2025 года Тони Тайсон принял участие в презентации в Вашингтоне, округ Колумбия, чтобы представить изображение, создание которого заняло почти 30 лет: 10 миллионов галактик, парящих на чернильно-чёрном фоне. Чтобы рассмотреть каждую галактику в деталях, пришлось бы растянуть изображение на 400 телевизоров. Это первый портрет космоса, полученный из обсерватории Веры К. Рубин, нового астрономического комплекса, построенного Соединёнными Штатами на горе в Чили. И он охватывает всего 0,05% галактик, которые гигантская камера обсерватории запечатлеет в течение следующего десятилетия. Эта камера открывает новую эру ярких фотографий в астрономии; это также главное творение Тайсона. Тайсон, космолог из Калифорнийского университета в Дэвисе и главный научный сотрудник обсерватории Рубина, работал в Bell Labs в 1970-х годах, когда столкнулся с новым чипом для получения изображений, называемым прибором с зарядовой связью (ПЗС), и понял, что он может произвести революцию в изучении Вселенной. Преобразуя входящий свет в электрические сигналы, ПЗС-датчики хорошо подходят для обнаружения слабых, удалённых объектов в космосе. Тайсон использовал эту технологию для создания первой карты тёмной материи высокого разрешения, таинственная, тяжелая субстанция, которая связывает галактики вместе, словно невидимый клей. Затем, в 1990-х годах, другие астрономы использовали одну из ПЗС-камер Тайсона для изучения расширения Вселенной и обнаружили то, что тогда казалось ошибкой: расширение набирало обороты. Это необычное ускорение выявило наличие тёмной энергии.
Сегодня тёмная материя и тёмная энергия, составляющие вместе 95% содержимого Вселенной, остаются полнейшей загадкой. Ещё в 1990-х годах Тайсон понимал, что для изучения этих тёмных сущностей потребуется более мощная камера, поэтому он основал проект, который впоследствии стал Обсерваторией Рубина. Сейчас, в свои 85 лет, он наконец представляет миру своё детище.
Камера Legacy Survey of Space and Time (LSST) обсерватории Рубина, состоящая из 189 ПЗС-матриц общим разрешением 3,2 миллиарда пикселей, является крупнейшей цифровой камерой из когда-либо созданных. В течение следующих 10 лет она будет многократно фотографировать около 20 миллиардов галактик. Среди прочего, фотоальбом будет рассказывать запутанную историю того, как тёмная материя и тёмная энергия совместно формировали структуру нашей Вселенной.
Журнал Quanta Magazine побеседовал с Тайсоном как до публикации изображения, так и в день его публикации. Наш разговор о тёмной материи, тёмной энергии и многолетнем развитии обсерватории Рубина был отредактирован и сжат для ясности.
Можете ли вы рассказать мне, как вы создали карту темной материи?
Меня всегда, даже в детстве, интересовало измерение практически необнаружимых объектов — очень-очень слабых сигналов, сначала в радиодиапазоне, а затем в оптическом диапазоне. Лаборатории Белла предоставили мне полную свободу действий в разработке новых систем, которые могли бы обнаруживать эти чрезвычайно слабые сигналы. Однажды Джордж Смит [соавтор прибора с зарядовой связью] зашёл ко мне в кабинет и сказал: «Знаешь, учитывая твой интерес к астрономии, тебя это может заинтересовать». Это была вот такая маленькая штуковина длиной пару миллиметров, которую сейчас называют ПЗС-матрицей. В то время меня очень интересовало, как выглядят галактики, словно их сдвинула вся эта невидимая тёмная материя между нами. Свет галактик искажается гравитацией тёмной материи, поэтому изображение галактики вытягивается, превращаясь в небольшую дугу. Поэтому я разработал очень простой детектор с ПЗС-матрицей, который обнаруживает эту характерную дугообразную форму на небе. Этот эффект называется слабым гравитационным линзированием. Обнаружив мираж, можно инвертировать карту, чтобы увидеть распределение тёмной материи.
И как вы помогли открыть темную энергию?
Я построил камеру с большой пропускной способностью (Big Throughput Camera), которая на тот момент была крупнейшей ПЗС-камерой в мире. Я намеревался установить её на самый большой телескоп, который мне удастся раздобыть, – телескоп Национального научного фонда США в Чили. У нас было много свободного времени для наблюдений, и мы также поддерживали другие группы.
Две группы наблюдали за сверхновыми, чтобы понять, насколько быстро расширяется Вселенная. Все знали — или думали, что знают, — что Вселенная замедляется из-за всей её тёмной материи. Эти группы обнаружили то, что считали неверным ответом: расширение Вселенной на самом деле ускорялось в течение последнего миллиарда лет. Чтобы галактики разлетались друг от друга всё быстрее, их должна толкать некая сила — растяжение пространства-времени. Энергия, заставляющая пространство расширяться, — это то, что мы называем тёмной энергией.
Почему вы решили, что миру нужна такая обсерватория, как Рубин?
Казалось бы, всё очевидно. Мы не понимаем 95% нашей Вселенной. Это просто ошеломляет.
И я сказал: «Мы можем добиться большего. Мы можем построить телескоп большего размера, создав более крупные мозаики из более крупных ПЗС-матриц». Нам пришлось изобрести новый тип ПЗС, потому что нам нужна была информация за пределами видимого спектра света, от ультрафиолета до ближнего инфракрасного. И нам нужно было разработать действительно умное программное обеспечение, которое могло бы найти ответ. Но к 2000 году стало ясно, что всё это действительно может произойти.
RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA/T. Lange
Как вам удалось донести эту идею до остального мира?
Каждые 10 лет американские физики и астрономы проводят большой конкурс, собирая предложения по созданию следующего крупного объекта. Им очень понравилась моя идея назвать его «Телескопом тёмной материи» — потому что я хотел именно это. Но им не понравилось название, поскольку телескоп мог выполнять множество других функций, например, обнаруживать астероиды, угрожающие Земле. Я хитроумно поместил изображение астероида, угрожающего Земле, на последней странице своего предложения. Им это очень понравилось. Поэтому они переименовали телескоп в Большой синоптический обзорный телескоп. И мы все бросились искать значение слова «синоптический». Никому оно никогда не нравилось. И вот недавно, после смерти нашей подруги Веры Рубин, которая помогла подтвердить существование тёмной материи, мы переименовали объект в честь Веры.
Сам обзор неба по-прежнему называется LSST, но теперь мы говорим, что это сокращение от Legacy Survey of Space and Time (Наследственный обзор пространства и времени).
Расскажите мне о LSST и его научных целях.
Камера весит примерно как небольшой внедорожник. Её разрешение в фокальной плоскости составляет 3200 мегапикселей. Она расположена в центре трёхзеркального телескопа, который мы в итоге спроектировали. Каждые 30 секунд экспозиции, которые мы снимаем на участке неба, мы будем отправлять миру оповещение обо всех изменениях в этом участке. Мы ожидаем, что каждую ночь будет происходить от 8 до 10 миллионов таких изменений — новых явлений, которых раньше не было, например, далёких взрывающихся объектов, новых астероидов или комет.
Камера также позволит нам получать гораздо более точные карты тёмной материи. Это важно, поскольку позволяет нам увидеть, как сгустки тёмной материи эволюционировали от диффузных форм до нитевидных по мере старения Вселенной, что помогает определить свойства тёмной материи. Это стало возможным благодаря слабому гравитационному линзированию — методу, который я впервые применил в 1980-х годах.
Сравнивая пары галактик в каждом участке неба, мы можем сделать нечто совершенно иное, чем то, что делалось ранее. С помощью слабого гравитационного линзирования мы можем оглянуться назад и увидеть воздействие тёмной энергии на тёмную материю в космическом времени. Мы можем фактически определить, ускоряется или замедляется расширение Вселенной с течением времени. Возможно, оно осциллирует, кто знает? Предположим, что Вселенная ведёт себя очень странно: она не только ускоряет своё расширение, но и замедляется, а затем снова ускоряется. Если это правда, мы можем обнаружить это впервые. Это прояснит, что такое тёмная энергия.
Тема темной энергии сейчас особенно актуальна, поскольку исследования DESI и DES, в ходе которых наблюдались миллионы, а не миллиарды галактик, обнаружили признаки того, что темная энергия может ослабевать . Что вы думаете?
Что ж, мы, очевидно, добиваемся прогресса. Я думаю, это воодушевляет. Хотя сигнал и слабый, он наводит на размышления. И это даёт ещё больше оснований для обсерватории Рубина попытаться сделать это с очень высокой точностью.
Каковы были первые снимки Рубина?
Было приятно увидеть нечто столь прекрасное. Как учёный, я обычно изучаю данные, содержащие такую информацию, но увидеть это своими глазами — совершенно другое дело — великолепные цвета и высокая размерность. Это просто поражает воображение, включая меня. Я практически снял шляпу учёного и посмотрел на это глазами ребёнка.
Дженна Ахарт — Автор-соавтор — https://www.quantamagazine.org/authors/jennaahart/
СВЯЗАННЫЕ:
- Тёмная энергия слабеет? Новые доказательства подтверждают это.
- Нет тёмной энергии? Нет шансов, утверждают космологи
- Упорные охотники за темной материей находят новые укрытия для проверки
Какова была реакция других людей — как ученых, так и неученых?
Они просто поражены богатством и потенциалом открытий, которые предлагает LSST. Сегодняшнее волнение в зале просто заразительно.
Чего нам ожидать в будущем? Думаю, Рубин не скоро сможет ответить на какие-либо вопросы о тёмной материи и тёмной энергии.
Это займёт несколько лет, поскольку нам нужны сверхглубокие снимки обширной области Вселенной. Но я думаю, что уже к пятому году мы будем знать довольно много.