Миллиарды по цене миллионов: астрономы создали самую подробную карту мироздания

Фото NASA
Фото NASA
Ученые из США построили трехмерную карту взаимного расположения более чем миллиарда галактик. Это самая подробная карта космоса в истории человечества

Астрономы использовали телескоп стоимостью в десятки миллионов долларов и искусственный интеллект, чтобы составить не имеющую себе равных трехмерную карту Вселенной. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Под прицел специалистов попали миллиарды объектов, причем свет от самых далеких из них путешествовал по космосу многие миллиарды лет. Новая карта может стать ключом ко многим тайнам пространства, времени и материи.

Недорого и по старинке

Сегодня, как и во времена древних греков, приоритетная задача астрономов — смотреть на небо и составлять списки увиденных там ярких пятнышек. Однако сегодня для этого используются точные и дорогие инструменты, а выводы из увиденного делаются с учетом последних достижений астрофизики и с использованием мощных вычислительных методов.

Один из таких инструментов — телескоп Pan-STARRS1, принадлежащий США и расположенный на Гавайях. Он не так уж велик: диаметр зеркала составляет всего 1,8 м. Телескопы такого размера умели делать еще в XIX веке. Многие современные приборы значительно превышают эти параметры: так, зеркало Pan-STARRS1 равно по величине любому из четырех вспомогательных зеркал крупнейшего в мире телескопа VLT, при том, что у последнего есть еще четыре основных зеркала диаметром 8,2 м каждое.

Размер зеркала, безусловно, имеет значение: от него прямо зависит чувствительность прибора. Но от него зависит не все. У Pan-STARRS1 огромное по сравнению с его собратьями по профессиональному цеху поле зрения. За ночь он обозревает площадку в тысячу квадратных градусов (то есть 1/40 часть всего неба). Кроме того, у этого телескопа одна из самых больших в мире цифровых камер (почти 1,4 млрд пикселей). И это не полный список достоинств маленького, но гордого инструмента. Поэтому при своих скромных размерах он выдает астрономические результаты мирового уровня.

К слову, у Pan-STARRS1 есть брат-близнец Pan-STARRS2. Изначально планировалось построить еще два таких же телескопа. Бюджет всей программы оценивался в $100 млн. По меркам профессиональной астрономии это не такие уж большие деньги, особенно если сравнивать со стоимостью запуска телескопов в космос. Так, орбитальная обсерватория TESS размером с небольшой холодильник обошлась втрое дороже (но отнюдь не разочаровала своих создателей, открыв тысячи новых планет). Тем не менее, с финансированием проекта Pan-STARRS возникли проблемы, и на сегодняшний день построено только два телескопа.

Две тысячи новых миров: что открыла космическая обсерватория TESS

Впрочем, Pan-STARRS1 и в одиночку способен порадовать астрономов. Одним из веских поводов для радости стала первая версия (Data release 1, или DR1) каталога Pan-STARRS1 3π, вышедшая в 2016 году. Она охватывает три четверти неба и содержит почти три миллиарда объектов. Для каждого из них определена видимая яркость и направление на него. Даже если бы научные результаты телескопа ограничились только этим каталогом (а это далеко не так), каждое небесное тело — звезду, галактику или квазар — человечество приобрело бы менее чем за один цент. Кто скажет, что это невыгодная сделка с мирозданием?

Дотянуться до звезд

Однако определить направление, в котором находится то или иное светило — это еще не все. Если мы будем составлять карту окружающего мира, учитывая только направления, то получим ущербную плоскую картину. В один список «предметов, которые слева от нас» попадут чашка на столе, соседний дом за окном и солнце в небе. Чтобы действительно ориентироваться в своем окружении (хотя бы оценить истинные размеры объектов), нужно добавить третью координату — расстояние до объекта.

С чашкой и соседним домом не будет особых проблем. А вот как насчет того, что в небе? До звезд и галактик не дотянешься рулеткой, а их внешний вид обманчив. Заурядные, но близкие газопылевые облака с Земли выглядят очень похожими на колоссальные, но далекие галактики с миллиардами звезд (и даже после изобретения телескопа понадобились столетия, чтобы отличить их друг от друга). Другой яркий во всех смыслах пример — квазары. Это самые мощные, но и самые далекие от нас источники излучения во Вселенной. И эти монстры, многократно превосходящие светимостью всю Галактику, в телескоп выглядят как рядовые слабые звездочки.

Иными словами, не зная расстояния до объекта, астроном иной раз просто не может понять, с чем он имеет дело. Полярная звезда — сверхгигант, которому карлик Солнце не годится и в подметки, но легко ли это осознать, когда не только дневное светило, но и собственная настольная лампа светит нам куда ярче, чем далекая звезда?

Вот почему исследователям космоса так важно определять расстояния до наблюдаемых объектов и дополнять двумерные карты трехмерными. Именно этим и занялись авторы исследования. Они построили трехмерную карту распределения галактик, попавших в упоминавшийся выше каталог Pan-STARRS1 3π DR1.

Почти пусто: астрономы выяснили, сколько во Вселенной материи

Большие данные для большой науки

Этот каталог содержит звезды, галактики и квазары, которые для неискушенного взгляда выглядят одинаково — как светлые пятнышки. В данном исследовании ученых интересовали только галактики, и они хотели прежде всего отделить зерна от плевел. В обработке данных о трех миллиардах объектов помог искусственный интеллект. Для начала нейронную сеть обучили на выборке из 3,8 млн объектов, о каждом из которых было заранее известно из предыдущих исследований, что это такое — звезда, галактика или квазар. Компьютерный разум научился распознавать объекты всех трех типов с точностью 97–98%. После этого он приступил к классификации всех объектов каталога Pan-STARRS1 3π DR1.

Но задачей системы было не только распознать галактики. Она также определяла их красное смещение, которое возникает из-за расширения Вселенной. Эта величина однозначно связана с расстоянием, так что вычислить дистанцию до объекта становилось делом техники. Правда, довольно тонкой техники: приходилось еще учитывать поглощение света межзвездной пылью.

Зато в результате расстояния были определены с погрешностью не более 3%. И это притом, что свету некоторых из этих галактик понадобилось более половины возраста Вселенной, чтобы добраться до Земли (здесь не надо ничего пересчитывать в световые годы: на космологических расстояниях формула «время пути света в годах = расстояние в световых годах» уже не работает, потому что благодаря Общей теории относительности пространство начинает выкидывать фокусы).

Космические карты

Имея две координаты, задающие направление на галактику, и третью, определяющую расстояние до нее, астрономы построили трехмерную карту Вселенной, на которую нанесли более миллиарда «звездных островов». Это, казалось бы, не так уж много, ведь в видимой части Вселенной насчитываются сотни миллиардов галактик. Но определение дистанций до них — дело непростое. Так что на сегодняшний день составленная авторами трехмерная карта космоса является самой подробной.

Все полученные данные исследователи выложили в открытый доступ. Правда, заправить эту космическую карту в планшет (или смартфон) вряд ли получится: все-таки 300 Гб.

Эта карта, как и любая другая, отвечает прежде всего на простейший вопрос: где что находится. Может ли она рассказать о космосе что-нибудь еще?

Безусловно. Ведь количество и расположение галактик не случайно. На него наложили отпечаток самые глубокие законы, управлявшие рождением и развитием Вселенной. Например, даже значительно менее обширная трехмерная карта расположения галактик позволила специалистам ответить на фундаментальный вопрос, сколько в космосе материи, а распределение сверхскоплений галактик заставило ученых заподозрить, что они не знают об устройстве мира чего-то важного. Трудно сказать, какие именно тайны поможет раскрыть новая карта. Но можно не сомневаться в том, что открытия не заставят себя долго ждать.