Пять тысяч глаз DESI

У хамелеона два глаза работают порознь. Каждый управляется независимо, и ящерица ухитряется одновременно высматривать добычу одним глазом и следить за окрестностями другим. В природе эта способность встречается, хотя и редко, у некоторых рыб, раков, морских коньков. Но никто, кроме хамелеона, не умеет на лету переключаться между независимым режимом и бинокулярным зрением, когда нужно точно оценить расстояние до будущего обеда. Дальше эволюция не пошла, для выживания в природе большего не требовалось. А творения человека нуждами выживания не связаны. И в полупустыне Аризоны, недалеко от города Туксон, люди собрали зрячую машину, у которой таких независимых глаз не два, а пять тысяч.

Каждые двадцать минут под куполом обсерватории разыгрывается представление. Пять тысяч глаз, крохотных роботов, начинают двигаться в сложном танце, слаженно, не задевая друг друга, и каждый нацеливается на свою галактику. Каждый глаз — это миниатюрная рука с подвижным суставом, внутри которой пропущено оптоволокно. Ось разворачивает руку в основании, а сустав выносит кончик волокна по дуге — так, чтобы свет от галактики попадал точно в сердцевину стеклянной нити. Точность наведения — несколько микрон, меньше десятой доли человеческого волоса.

Глаза расположены плотно, словно колбочки в сетчатке наших глаз, и области их действия пересекаются, чтобы на небосводе не оставалось слепых зон. В такой тесноте соседние глаза могут столкнуться, поэтому во время перенастройки контроллер синхронизирует их движения: кто развернётся первым, кто переждёт. Танец длится 90 секунд, а потом всё затихает на двадцать минут. Каждый глаз пристально вглядывается в свою цель. Потом всё снова приходит в движение. И так всю ночь.

Эту машину зовут DESI — Dark Energy Spectroscopic Instrument, и собрали её, чтобы ответить на один вопрос: меняется ли со временем невидимая сила, которая расталкивает объекты во Вселенной? Вопрос обманчиво прост, и чтобы ответить на него, двух глаз, и даже двух сотен, мало. Зачем нам понадобилась уникальная машина с пятью тысячами глаз, что она измеряет и чем нас не устроил традиционный телескоп?

У телескопа, как у Циклопа, один глаз, большой, чувствительный, способный поймать свет галактики, летевший к нам десять миллиардов лет. С этим прекрасно справляются и земные, и внеземные телескопы. Задача у DESI другая: измерить расстояние до галактики. Не до одной, а до всех наблюдаемых. А это совсем другая работа, куда более медленная. Расстояние спрятано в спектре. Если разложить пришедший от галактики свет на цвета, в нём проступят тёмные линии поглощения химических элементов на строго определённых длинах волн. Чем дальше галактика, тем быстрее она от нас удаляется, тем больше линии смещены в красную зону. Измерили сдвиг — получили скорость убегания, а по скорости можно вычислить и расстояние. Вот только снимается спектр небыстро. От дальних объектов прилетает совсем мало фотонов; нужно экспонировать изображение минутами, а лучше часами, потом разложить все собранное по цветам и отыскать линии поглощения. Снять спектр одной галактики обычный телескоп может. Снять спектры миллионов галактик не хватит человеческой жизни. Единственный выход — научиться снимать их не поодиночке, а параллельно, тысячами разом.

DESI установлен на четырёхметровом телескопе Мейолл в аризонской обсерватории Китт‑Пик. Телескоп — ветеран семидесятых годов. На место светоприёмника, туда, куда зеркало сводит собранный свет и где обычно стоит окуляр или матрица камеры, поставили DESI: десять лепестков по пятьсот глаз на кривой фокальной плоскости. Пойманный свет каждой галактики по оптоволокну отправляется к спектрографам, которые раскладывают его на цвета и вычисляют скорость и расстояние. Набор из пяти тысяч спектров накапливается каждые двадцать минут — это сто тысяч новых галактик в коллекции за ночь.

DESI не первый прибор подобной конструкции — задолго до него додумались собирать спектры нескольких объектов разом. Австралийский 2dF в конце девяностых позиционировал 400 волокон роботом — одно за другим, около сорока минут на перенастройку всего поля. Американский SDSS делал это иначе: для каждого поля наблюдений на станке с ЧПУ сверлили алюминиевый диск с сотнями отверстий точно в тех местах, где на небе находились галактики. Потом сотрудники обсерватории вручную втыкали в эти отверстия оптические волокна. Выглядело всё как металлическое решето, строго для своего участка неба. На подготовку одного поля уходили часы. За двадцать лет SDSS и его преемник BOSS таким образом отсняли полтора миллиона галактик.

DESI позиционирует все пять тысяч волокон одновременно, за полторы минуты, автоматически. Полтора миллиона галактик DESI регистрирует за несколько недель. За пять лет работы DESI перевыполнил первоначальный план: отснято больше 47 миллионов галактик и квазаров, да ещё 20 миллионов звёзд в придачу. Зная расстояние и направление, можно ставить точку в трёхмерном пространстве. Итог — составлена крупнейшая трёхмерная карта Вселенной в истории. Карта — это красиво, разумеется. Но вопрос остался: какую задачу мы решаем, что нам понадобилось столько миллионов точек?

Представьте толпу людей на огромной площади. Люди стоят будто бы беспорядочно, но почему‑то любой человек чуть‑чуть чаще оказывается в полукилометре от другого, чем на любом ином расстоянии. Посмотрите на десятерых или даже на тысячу — вы не увидите никакой закономерности. Сфотографируйте миллион человек, измерьте все расстояния между ними, постройте гистограмму — и из плавной кривой выступит едва заметный бугорок ровно на полукилометре. Вот за таким бугорком DESI и охотится, только не в толпе людей, а в расположении галактик. Эта флуктуация расстояния невероятно слаба, и любые погрешности в измерениях её маскируют. Выявить её можно лишь усреднением по гигантскому количеству расстояний. И хуже того — точность здесь растёт медленно: чтобы уменьшить погрешность вдвое, нужно вчетверо больше галактик. Теперь понятно, зачем нужны миллионы измерений. Вот только непонятно, откуда у галактик, разбросанных по всей видимой Вселенной, взяться любимому расстоянию? Это и есть самое удивительное во всей истории космоса.

Первые 375 тысяч лет космос был непрозрачным густым супом из элементарных частиц, расталкиваемых фотонами, которые не могли разогнаться в такой тесноте. Гравитация стремилась сжать этот плазменный суп, затолкать элементарные частицы обратно в сингулярность, а мечущиеся фотоны, наоборот, расталкивали их — давление света уравновешивало гравитацию. Эти непрерывные толчки туда‑сюда рождали звуковые волны, сферические, расходящиеся от каждого случайного уплотнения. Плазма буквально гудела от них, как гонг, непрерывно бьющий сам себя. Но пространство расширялось, температура плазмы падала, и при 3000K электроны объединились с протонами в нейтральные атомы водорода. Вселенная стала прозрачной, и фотоны, больше ничем не сдерживаемые, рванули во все стороны, а плотная среда, в которой бежали звуковые волны, рассеялась. Представьте, что пруд во время ливня, весь в расходящихся кругах от дождевых капель, мгновенно заморозили, и круги на нём застыли навсегда. Вот так и во Вселенной вокруг каждого первичного уплотнения осталась сферическая волна — сфера чуть более плотного вещества на строго определённом радиусе.

Этот радиус задан физикой ранней Вселенной и известен нам с большой точностью: 150 мегапарсек, почти полмиллиарда световых лет. На этой застывшей ряби потом и собирались галактики, чуть охотнее, чем в других местах. Вот так и появилось то самое любимое расстояние: по всей Вселенной у галактик есть едва уловимое предпочтение находиться друг от друга ровно на этом полумиллиарде световых лет. Бугорок на гистограмме расстояний оказался эхом гонга, отзвучавшего тринадцать миллиардов лет назад.

Далёкая галактика — это не только «дальше», но и «раньше». Свет от неё шёл к нам миллиарды лет, и в спектре мы видим Вселенную более молодой. Поэтому сначала строят гистограмму расстояний по близким галактикам — по тем, что относятся к нашему космическому «сегодня», и ищут бугорок на полумиллиарде световых лет. Потом то же самое делают для дальних галактик, для эпох, когда Вселенной было на миллиарды лет меньше. Сравнивают: остаётся ли это самое любимое расстояние тем же, или со временем оно меняется? Так DESI и подходит к главному вопросу: меняется ли невидимая сила, которая разгоняет космос, или же она постоянная с самого начала?

От ответа зависит окончательная судьба Вселенной. Если сила постоянна, впереди вечное и неизменное разбегание галактик и тепловая смерть: галактики уходят за горизонт, звёзды гаснут одна за другой, космос погружается в вечную тьму. Если она со временем крепнет — ускорение разбегания нарастает, и в недалёком будущем Вселенную ждёт Большой Разрыв: расширение пространства, словно расползающаяся ткань, сначала разорвёт скопления галактик, потом галактики, потом скопления звёзд и так далее, пока каждый атом не окажется в пустоте, бесконечно далеко от ближайшего соседа. Ну, а если сила слабеет, ускорение однажды прекратится и разбегание начнёт тормозить, а в самом крайнем варианте гравитация возьмёт верх, остановит расширение и развернёт его обратно, в сжатие. Тогда, словно в кино про Бенджамина Баттона, космос двинется назад, к рождению, к первичной сингулярности.

За первые три года DESI измерил расстояния до четырнадцати миллионов галактик и квазаров, в разных слоях времени, от сегодняшней эпохи до той, когда Вселенной было вдвое меньше лет, чем сейчас. Бугорок на полумиллиарде световых лет обнаружился везде, где его искали. Но его положение на разных глубинах оказалось не совсем там, которого ожидали при постоянной расталкивающей силе. В марте 2025 года опубликованы результаты второго анализа данных. Совмещённые с данными реликтового излучения и каталогами сверхновых, они нарисовали неожиданную картину: расталкивающая сила ведёт себя не как константа. В молодой Вселенной, несколько миллиардов лет назад, она была сильнее. В современной Вселенной — слабее.

Из трех вариантов судьбы Вселенной накапливаемые данные указывают на последний вариант: расталкивающая сила, та самая тёмная энергия, слабеет. Если это подтвердится, впереди у Вселенной не вечная тьма, а постепенное торможение разбегания галактик. И когда‑нибудь, в далёком будущем, гравитация возьмёт верх над тёмной энергией. Проблема в том, что наши модели вообще не предполагали такого поведения. Классическая теория проста: расталкивающая сила — это неизменное свойство самого пространства, она не может ни слабеть, ни крепнуть. Современные гибкие модели хоть и допускают, что сила может меняться, но запрещают ей быть в прошлом больше некоторого предела. А новые измерения указывают, что когда‑то она была именно больше.

Выводы делать пока рано. Ответ тонет в зашумленных данных, и достоверность результата слишком низка, чтобы заявлять об открытии. Для ответа нужно больше расстояний, и их сбором DESI сейчас и занимается: продолжает наносить на карту галактики, с каждой ночью уточняя результат. Три судьбы Вселенной перед нами, но какая из них сбудется, мы пока не знаем. Грань между ними тоньше человеческого волоса, и какой‑нибудь очередной миллион измерений может может склонить чашу весов в пользу одного из вариантов. Мы, вероятно, первое поколение людей, которое не гадает о судьбах мира, а хочет найти математически точный ответ. Поэтому каждую ночь DESI смотрит на небо всеми своими глазами.

Ссылки:

• эта статья — продолжение статьи Рождённые в Сумерках

• Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)

• DESI completes largest high-resolution 3D map of universe to date — News