Космическая обсерватория «Евклид»

На фото — космический аппарат «Евклид», разработанный Европейским космическим агентством при содействии НАСА, перед установкой на ракету-носитель Falcon 9. «Евклид» был запущен с мыса Канаверал месяц назад, 1 июля. В конце июля он достиг своего «пункта назначения» — гало-орбиты радиусом около миллиона километров вокруг точки Лагранжа L₂ системы Солнце–Земля. Еще раньше, в середине июля, он сделал первые тестовые снимки. Задачи «Евклида» связаны с изучением фундаментальных вопросов космологии — исследованием природы темной энергии и темной материи и уточнением параметров космологической модели, описывающей эволюцию Вселенной. Аппарат получил название в честь великого древнегреческого ученого Евклида, прославившегося своими трудами по геометрии, поскольку, как следует из общей теории относительности (ОТО), перечисленные вопросы тесно связаны с геометрией Вселенной.

Увеличенное тестовое изображение телескопа «Евклид» в видимом диапазоне. Видны спиральные и эллиптические галактики, звездные скопления и отдельные звезды. Фото с сайта esa.int

Сделаем небольшой экскурс в историю. В конце 1990-х годов было открыто ускоренное расширение Вселенной (см. Ускоренное расширение Вселенной станет доступно прямому измерению в ближайшее десятилетие, «Элементы», 14.08.2014). Это открытие хорошо согласуется с теорией, если добавить в космологическую модель ненулевую космологическую постоянную Λ (см. «Величайшая ошибка Эйнштейна» снова в строю, «Элементы», 25.11.2005). Сейчас физический смысл космологической постоянной принято объяснять наличием так называемой темной энергии, природа которой пока не установлена — предлагается несколько гипотез (более того, даже само существование темной энергии до сих пор ставится под сомнение некоторыми исследователями). Похожая ситуация и с такой составляющей Вселенной, как темная материя: хотя она была открыта раньше (первые гипотезы относятся еще к концу XIX века, а с 1980-х годов представления о существовании темной материи стали общепринятыми), ее физическая природа также пока неясна.

Схематическое изображение расширения Вселенной. По горизонтальной оси отложено время, прошедшее с Большого взрыва (изображен яркой желтой вспышкой); по вертикальной — размеры Вселенной. Ускоренное расширение можно наблюдать в правой части рисунка (область с голубым фоном). Фото с сайта newatlas.com

В настоящее время общепринята космологическая модель Лямбда-CDM, согласно которой Вселенная в основном заполнена темной энергией и темной материей (по данным космического аппарата «Планк» суммарно они составляют около 95% массы-энергии Вселенной — 68% и 27% соответственно; оставшиеся 5% в основном приходятся на долю «обычной» барионной материи, из которой состоит привычное нам вещество). Однако параметры этой модели известны ученым не так точно, как хотелось бы. Кроме того, некоторые наблюдения последних лет не вполне укладываются в рамки этой модели. Это может свидетельствовать как о ее неточности или неполноте, так и об ошибках измерений или неправильной интерпретации их результатов.

Как видите, в современной космологии еще немало открытых вопросов: это и природа темной энергии и темной материи, и уточнение параметров космологической модели, и разрешение противоречий между теорией и наблюдениями. «Евклид» призван помочь с решением этих проблем: это даст ученым лучшее понимание того, как эволюционировала Вселенная после Большого взрыва и что ждет ее в будущем. Да и просто поможет лучше понять фундаментальные законы, описывающие мир, в котором мы живем.

Основные задачи «Евклида» — это построение трехмерной карты темной материи, заполняющей Вселенную, и трехмерной карты галактик. Сравнивая распределение темной материи с предсказаниями, полученными на основе теоретической модели, можно будет уточнить параметры этой модели. Может помочь этому и карта галактик, по которой можно сделать выводы о неоднородности их пространственного распределения. В свою очередь, всё это поможет прояснить сущность темной энергии и темной материи, отсеивая гипотезы, плохо согласующиеся с уточненной моделью.

Полученной «Евклидом» карте галактик найдется еще одно важное применение: она поможет проверить, одинакова ли скорость расширения Вселенной во всех направлениях. Одним из основных положений современной космологии является космологический принцип, согласно которому, в частности, Вселенная изотропна: это означает, что ее свойства одинаковы по всем направлениям. Нарушение этого принципа будет означать, что существующие представления об эволюции Вселенной нуждаются в пересмотре.

Для картографирования темной материи зонд оснащен камерой VIS (Visible instrument), работающей на границе видимого и инфракрасного диапазонов (550–920 нм). Поскольку темную материю невозможно наблюдать непосредственно, будет применен метод слабого гравитационного линзирования: его суть основана на том, что гравитационное поле массивных объектов (к числу которых относятся и скопления темной материи), играющих роль гравитационных линз, изменяет направление распространения электромагнитного излучения, подобно тому как оптические линзы изменяют направление световых лучей. Эти изменения приводят к довольно характерным искажениям изображений областей, содержащих гравитационные линзы. По этим искажениям можно судить о массе вызвавшей их темной материи.

Эффекты, вызванные гравитационным линзированием, на фотографии, сделанной космическим телескопом «Хаббл» в 2019 году. Дуги — искаженные изображения одной и той же галактики Sunburst. Роль линзы выполняет расположенное перед ней скопление галактик PSZ1 G311.65-18.48. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Для построения карты галактик «Евклид» оснащен спектрометром и фотометром ближнего инфракрасного диапазона (NISP, Near Infrared Spectrometer and Photometer), которые работают на длине волны 950–2020 нм. Эти приборы будут определять красные смещения галактик, зная которые можно вычислить и расстояния до них: по закону Хаббла они пропорциональны красным смещениям. Ну а зная расстояния до галактик и направления на них, уже нетрудно построить карту. Фотометр, измеряющий фотометрическое красное смещение, менее точен, чем спектрометр, но позволит получать результаты быстрее: с его помощью «Евклид» за 6 лет (именно на столько рассчитана его миссия) сможет охватить примерно 1,5 миллиарда галактик. В поле же зрения спектрометра попадет «всего» 35 миллионов галактик. В выполнении этой задачи «Евклиду» помогут наземные телескопы: наблюдая те же галактики, что и «Евклид», они также будут определять их красные смещения, что сделает наблюдения зонда более точными.

NISP в лаборатории. Фото с сайта euclid-ec.org

Выполняя свою миссию, «Евклид» поможет ученым «заглянуть в прошлое»: наиболее удаленные галактики, которые попадут на карту, находятся на расстоянии примерно 10 миллиардов световых лет от нас (излучение более далеких галактик «Евклид» не сможет зарегистрировать из-за их слишком большого красного смещения). Поскольку свету требуется время на преодоление этого расстояния, мы увидим конфигурацию галактик такой, какой она была много миллионов лет назад; причем это время тем больше, чем галактика дальше от нас. Таким образом, третье пространственное измерение построенной карты фактически будет играть роль времени. Изучая конфигурации галактик, расположенных в разных временных слоях, можно сделать некоторые выводы о том, как эволюционировала Вселенная во времени. В частности, это поможет ответить на вопрос, постоянна ли на самом деле космологическая постоянная: ведь именно она отвечает за темную энергию, которая заставляет Вселенную ускоренно расширяться. Карты, построенные «Евклидом», помогут и проверить общую теорию относительности: ведь эволюция вещества и энергии во Вселенной должна соответствовать ее уравнениям. К настоящему времени набралось немало экспериментальных подтверждений ОТО, но до сих пор не было возможности проверить ее положения на столь глобальных масштабах.

Главное зеркало телескопа, установленного на «Евклиде». Фото с сайта euclid-ec.org

За время своей работы «Евклид» должен исследовать область площадью около 15 000 кв. градусов (15 000 deg², см. Square degree; под площадью здесь подразумевается соответствующий телесный угол), что составляет более трети площади небесной сферы: из программы наблюдений исключены область вокруг плоскости Млечного Пути, поскольку свет его звезд и космическая пыль «загрязняют» изображения галактик, расположенных за Млечным путем. Из-за пыли, которая создает засветку, пришлось исключить и плоскость эклиптики. Тем не менее и оставшаяся для наблюдений область всё еще велика: достаточно сказать, что ее площадь в 300 раз больше, чем та, которую охватил телескоп «Хаббл» за 30 с лишним лет своей работы.

Карта неба, на которой отмечены области интереса «Евклида» (внутри голубых контуров). Фото с сайта euclid-ec.org

Столь масштабный план исследований принципиален: ведь для верификации и уточнения теоретических моделей необходимо сопоставить с ними статистические свойства и морфологию крупномасштабной структуры Вселенной, которую «Евклид» нанесет на карту. Чем больше объем наблюдений, тем точнее окажется статистика: изучение небольшого кусочка неба могло бы привести к тому, что вследствие флуктуаций свойства объектов в наблюдаемой области отличались бы от средних по Вселенной.

Помимо основных научных проблем, о которых я рассказал выше, исследования «Евклида» помогут решить и некоторые «попутные» задачи. Ожидается, что в объектив «Евклида» попадет не менее 100 тысяч тел Солнечной системы, что даст возможность, например, обнаружить новые объекты в поясе Койпера. Многократные наблюдения одних и тех же областей помогут засечь вспышки сверхновых звезд. А эффект гравитационного линзирования поможет открыть новые крупные экзопланеты, хотя и несколько иным образом, чем было описано выше применительно к темной материи: ведь масса даже самых крупных планет недостаточна для того, чтобы создать различимые искажения изображений. Тем не менее такие объекты, работая как линза, будут на короткое время изменять яркость фоновых источников света при прохождении перед ними (этот эффект называется микролинзированием).

«Евклид» пока не начал работу: ближайшие два месяца должны уйти на проверку оборудования. Надеюсь, что полученные зондом результаты дадут повод еще не раз упомянуть его на «Элементах».

Фото с сайта scitechdaily.com.

Алексей Деревянкин