Космический телескоп "Хаббл" нашел самую отдаленную галактику из всех обнаруженных на данный момент

Галактика, названная GN-z11, находится на таком расстоянии от Земли, что тусклый свет ее звезд достигает нас через 13,4 млрд световых лет. Иными словами, "Хаббл" видит эту галактику такой, какой она была через 400 млн лет после Большого врыва.

Астрономы уверены в точности своих измерений, поскольку они сделали спектральный анализ световых волн, излучаемых этой галактикой. Такой анализ весьма трудно проводить в случае со столь отдаленными источниками, однако если это получается, то расстояние до этого источника.

"Хаббл", уже 26 лет находящийся в космосе, вновь доказал, что он особенный телескоп. Когда он только был запущен, мы изучали галактики, возраст которых лишь перевалил за половину всей космической истории, а сейчас мы вернулись на 97% времени назад.

Тем не менее специалисты полагают, что ветеран космических исследований уже приблизился к грани своих технических возможностей, и заглянуть в самые дальние уголки космоса предстоит уже преемнику "Хаббла". Такой телескоп, "Джеймс Уэбб", уже находится в процессе постройки и должен быть готов к 2018 году. Он будет настроен на инфракрасное электромагнитное излучение - именно в этом спектре теоретически еще можно различить свет самых первых звезд во Вселенной.

А они, скорее всего, находятся на 200 млн световых лет дальше, чем GN-z11. Ученым очень интересно исследовать эти первые звезды и условия, при которых они были рождены. Скорее всего, это были холодные гиганты, образовавшиеся из холодных инертных газов, преобладавших тогда в космосе. Эти исполины жили яркой, но сравнительно короткой жизнью, и дали первые тяжелые элементы.

Они также должны были "поджарить" инертные газы вокруг себя, забирая электроны у атомов, что привело к образованию рассеянной плазмы, которая и по сей день встречается в ближайшем межзвездном пространстве.

Размер GN-z11 составляет всего 1/25 от Млечного Пути, а масса звезд этой галактики - лишь 1% массы от нашей собственной галактики. Удивительно, что при этом она такая яркая и так быстро расширяется, создавая новые звезды. Это ставит под сомнение некоторые из созданных нами моделей, но при этом доказывает, что еще в начале возникновения Вселенной процесс образования галактик шел полным ходом, и это хорошая предпосылка для "Джеймса Уэбба", который заглянет еще глубже в космос в поисках прародителей этой галактики.

Ожидается, что космический телескоп "Джеймс Уэбб" заглянет в такое прошлое, когда возраст Вселенной составлял всего один или два процента от ее нынешнего, то есть во времена, когда после Большого взрыва прошло от 100 до 250 млн лет.

Разумеется, ученым и этого недостаточно, они бы хотели заглянуть в самую раннюю Вселенную. Для чего?

Михаил Смотряев (ВВС) беседует с сотрудниками Государственного астрономического института им. Штернберга Владимиром Сурдиным и Сергеем Поповым.

Михаил Смотряев: Вот еще одна галактика, которая находится от нас или, можно сказать, находилась от нас - вряд ли от этой галактики за такое количество времени чего-то осталось - на очень большом расстоянии. Соответственно она демонстрирует очень молодую Вселенную.

С другой стороны, 400 миллионов лет от Большого взрыва, при условии, что Большой взрыв имел место, - эта концепция пока является наиболее хорошо проработанной в современной астрономии. С одной стороны, это действительно очень ранняя Вселенная, с другой стороны, новое поколение астрономов и не только их, но и физиков микромира и космологов интересуют еще более ранние Вселенные, когда от Большого взрыва прошло не сотни миллионов лет, а чуть ли не минуты-секунды. Так ли это?

Владимир Сурдин: Разумеется, и так это потому, что условия в той супермолодой Вселенной невозможно смоделировать в лаборатории на Земле. Тогда были столь высокие температуры и плотность вещества и энергия частиц, что никакой даже самый Большой адронный коллайдер не в состоянии смоделировать эти процессы, показать нам, как же ведет себя вещество в этих условиях. Вселенная в период своей ранней молодости в самые микроскопические доли секунды после своего рождения именно так и выглядела.

Изучая эти процессы, мы можем лучше понять физику, строение вещества, глубинного строения, заглянуть внутрь элементарных частиц. Удивительно, что изучая самое крупное - Вселенную в целом, мы можем заглянуть внутрь самого мелкого - протонов, кварков, может быть, еще более фундаментальных частиц, из которых состоит наш мир.

Есть надежда пойти еще дальше – обнаружить первично-гравитационные волны. Это уже, наверное, последний барьер, по крайней мере, из обсуждающихся. Он нас очень сильно приблизит к началу начал.

М.С.: Насколько в этом плане велик сейчас разрыв между теоретической физикой и физикой наблюдательной даже с условием проекции непрерывного развития научно-технического прогресса в наблюдательной астрономии? Повышается точность приборов, все растет, причем с экспоненциальной скоростью. Физики-теоретики оперируют вещами, которые в некоторых случаях сложно себе представить, если мы касаемся, условно говоря, теории струн. Но если даже не заходить так далеко, этот разрыв все равно большой. Как вы будете наблюдать кварки, если они не существуют в несвязанном состоянии?

С.П.: С кварками, к счастью, проще. Изучая столкновения частиц на ускорителях, мы можем достаточно хорошо изучать кварки. Вся шестерка кварков обнаружена. Что-то больше узнать о микромире, о чем Владимир Георгиевич говорил, мы можем с помощью астрономических наблюдений. Кварки могут становиться свободными при очень высокой плотности. Поэтому в недрах нейтронных звезд может появляться кварковое вещество.

Если вернуться к космологии, вообще говоря, всегда, не только в космологии, такой разрыв существует. У ученых почти всегда есть идеи, что еще интересного можно посмотреть, но для реализации этих идей не хватает ресурсов. Причем если мы говорим об обнаружении, скажем, следов первичных гравитационных волн в фоне реликтового излучения, то там задача хорошо понятная. Она хорошо формулируется, и в принципе люди могут выдать техническое задание на спутник следующего поколения, который, как думают сейчас астрофизики, космологи, с высокой степенью вероятности может обнаружить эти следы или поставить настолько серьезные пределы на их существование, что придется существенно пересматривать теоретические модели.

В.С.: Никто не даст голову на отсечение, что через 50 лет те фундаментальные открытия, которые сегодня известны только в лаборатории немногим ученым, не окажутся в фокусе интересов всех обывателей. Вспомните, примерно 60 лет назад родилась полупроводниковая техника, примерно 40 лет назад появились микропроцессоры.

Сегодня нет человека, который бы в кармане или в портфеле не носил микропроцессор, запрятанный в часы, в сотовый телефон, в наладонник, в какой-то маленький планшетный компьютер и так далее. Всего лишь сорока лет хватило, чтобы фундаментальное открытие нового физического явления - полупроводниковой физики сделалось совершенно обыденным, обывательским, привычным и необходимым для всех.

Поэтому не надо задавать вопросы - для чего нужна фундаментальная наука, для чего физики смотрят в микро, а астрофизики - в макромир. Они смотрят для того, чтобы завтра это превратилось в скороварку, в микровейв, в общем, в совершенно необходимые в быту вещи. Это очевидно. Другое дело, что у астрономов сегодня появляются удивительные возможности использовать не только технические средства - телескоп, сделанный на заводе, но использовать саму природу, чтобы изучать эту же самую природу.

Например, недавно с помощью того же телескопа "Хаббл" и его партнера - космического телескопа инфракрасного диапазона "Спитцер" была открыта очень интересная галактика. Она находится на краю Вселенной. Ее красное смещение, то есть удлинение волны света, приходящего к нам, превышает восемь раз. Ее возраст - менее миллиарда лет. Это младенческий возраст по меркам нашего мира. Эта галактика открыта лишь потому, что ее помогли нам увидеть другие космические объекты.

Просто наземный телескоп или космический телескоп "Хаббл" не в состоянии увидеть галактику на таком огромном расстоянии. По счастливому совпадению на пути к ней оказалось огромное скопление галактик, заполненное тем, что мы называем темная материя, темное вещество. Мы еще не знаем его физической природы, но оно уже помогло нам в работе. Как? Лучи света, проходящие сквозь это скопление, преломились как в гигантской линзе. Мы называем это гравитационная линза. То есть гравитационное поле сфокусировало изображение далекой галактики на нас, на наши телескопы, конкретно на "Хаббл", который летает вокруг Земли.

Мы увидели эту галактику и удивились тому, как она выглядит. Она недавно родилась, тогда, в ту эпоху, только-только, а уже выглядит глубоко состарившейся звездной системой, почти такой же, как наша древняя галактика - наш Млечный путь. Как она успела столь стремительно пройти свой жизненный путь, свой эволюционный путь, мы до сих пор не понимаем. Там успели родиться звезды, проэволюционировать, взорваться, насытить окружающее пространство тяжелыми элементами, из которых позже родились планеты, биосфера, мы с вами. Все это произошло почти мгновенно по космологическим масштабам.

М.С.: В соединении законов макромира и микромира наблюдается едва ли не самое крупная проблема современной физики, а именно соединение теории, которая пока лучше остальных описывает происходящее в макромасштабе, - это теория Эйнштейна, и теории, которая описывает наиболее достойно, близко к тому, что мы наблюдаем, события в микромире, - квантовая теория. Это противоречие пытаются разрешить достаточно долго. Вариантов, в том числе и таких, от которых у неподготовленного человека ум заходит за разум, - теории струн, их второе поколение - браны, свернутое измерение числом 11 или 26, - все это время от времени наводит на мысль, что это настолько изощренная физика, что, может быть, она даже и не нужна. Сергей Борисович, может быть, на самом деле все проще, может быть, мы излишне усложняем?

С.П.: Видимо, нет. Простые решения люди пробуют. Безусловно, любой нормальный ученый, человек вначале ищет простые решения.  

М.С.: Гаррет Лиси – он автор очередной "теории всего" в первом приближении, в которой, правда, немало зияющих дыр. Но и в современной мейнстримовой науке тоже хватает дыр, которые надо затыкать, не говоря о том, что чем ближе мы приближаемся к началу Вселенной, тем больше вероятность столкнуться с тем, что понимаемые нами физические законы вообще там перестают работать. Оставляя в стороне проблему сингулярности, как таковой, в принципе когда мы подходим к планковским предельным величинам, у меня - неспециалиста - возникает такое ощущение, что надо выдумывать новую физику, потому что физические законы в том виде, в котором мы их знаем и сейчас наблюдаем, даже независимо от того, можем мы их объяснить или нет, уже перестают работать. Соответственно возникает вопрос, каковы перспективы создания новой физики, тем более, когда речь идет о планковских предельных величинах, там, где вы заведомо не можете ничего разглядеть, даже опосредованно?

В.С.: Мне кажется, это не правильная формулировка - "физика перестает работать". Надежно установленная, а в экспериментах обоснованная теорией физика никогда не перестанет работать в рамках тех условий, где она проверена. Пока мы работали в условиях земных экспериментов, нас ньютонова физика вполне удовлетворяла. Когда эксперименты стали разнообразнее - больше скорости, больше энергии столкновения частиц, меньше сами масштабы, на которых физики умеют делать эксперименты, - пришлось создать квантовую механику, релятивистскую физику, релятивистскую механику, и, наконец, общую теорию относительности. Они не отменили старую физику, они ее дополнили. Когда мы будем углубляться, продвигаться к началу Вселенной и встретим те условия, которых сегодня мы на Земле никогда не встречали, наша физика не перестанет работать. Ее придется дополнить более широкой, более полной, более охватывающей физикой.

М.С.: Сергей Борисович, а вы что думаете?

С.П.: Кажется довольно странным, если бы мир был устроен настолько сложно, что мы не могли бы его объяснить, описать в терминах математики. Думаю, что мир не устроен как-то бесконечно сложно, поэтому теория всего, наверное, будет создана.

В.С.: Сто лет назад было всего несколько человек, которые понимали, даже не понимали, а имели какое-то интуитивное чувство о рождении новой квантовой физики. Сегодня их миллион. Это все студенты технических и естественно-научных вузов. То, что было сто лет назад "чересчур", сегодня становится обыденным. Сто лет спустя "теория всего" будет точно также преподаваться в вузах и будет по зубам нормальному студенту, а сегодня это кажется чем-то сверхъестественным.

Буквально на днях были открыты, наконец, гравитационные волны. Я случайно вчера открыл старую статью десятилетней давности, написанную Сергеем Борисовичем Поповым, где было о гравитационных волнах, о том, что их не могут никак обнаружить. Там был сделан прогноз, что их обнаружат через десять лет. Поздравляю, Сергей Борисович, ваш прогноз абсолютно точно сбылся.