200 лет назад мы почти ничего не знали о нашей Вселенной в космологических масштабах. Сегодня мы знаем очень многое. Вот как мы к этому пришли.
Ключевые тезисы:
Двести лет назад мы не знали ни расстояний до звёзд, ни того, из чего они состоят, ни того, существуют ли во Вселенной другие галактики, ни даже того, каково наше космическое происхождение и какая судьба нам уготована.
Шаг за шагом, благодаря открытиям, которые закладывали основу для новых, ещё более глубоких прозрений, мы начали постигать, что представляет собой наша Вселенная и как она стала такой, какой мы знаем её сегодня.
Сегодня, в 2026 году, мы узнали невероятно много — и всё же новые наблюдения ставят перед нами загадки, разгадать которые не под силу даже лучшим из имеющихся данных. Мы покажем этот гигантский путь, который мы проделали, чтобы прийти к сегодняшнему состоянию.
Трудно сразу осознать, как далеко мы продвинулись в познании Вселенной за последние 200 лет. В начале XIX века мы даже не знали, насколько далеки звёзды, из чего они состоят и что за процессы в них происходят. Мы не знали, что такое Вселенная, насколько она велика и каковы законы, управляющие ею. В Солнечной системе было известно семь планет, последней из которых был Уран, открытый в 1781 году, и даже было обнаружено несколько астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Мы не знали природы Млечного Пути и существует ли что-нибудь за его пределами. Мы не знали, бесконечна ли Вселенная, вечна ли она, или же она конечна в пространстве либо во времени.
Теперь многое по-другому. Сегодня мы не только знаем, что из себя представляют звёзды и галактики, но можем проследить нашу космическую историю на миллиарды лет назад: до Большого взрыва и даже до предшествовавшего ему инфляционного периода. Мы знаем не только о материи, из которой состоим сами, но и об излучении, нейтрино, плазме, тёмной материи и даже тёмной энергии. Мы наблюдаем Вселенную не только в видимом свете, но и в диапазонах длин волн, недоступных глазу, а также посредством частиц и гравитационных волн. Наука продвигалась к этим достижениям путём медленных и тщательных исследований, хотя на этом пути были и гигантские скачки.
Давайте возьмём по одному великому достижению или открытию за каждое из последних 20 десятилетий, и посмотрим на эти 20 великих достижений и открытий, которые по-настоящему открыли человечеству Вселенную.
1830-е: открытие параллакса
Если Земля действительно обращается вокруг Солнца, то должно быть возможно увидеть, как ближайшие звёзды смещают своё видимое положение относительно более далёких фоновых звёзд, когда Земля меняет своё положение в пространстве на расстояние до 300 миллионов километров за календарный год. После столетий безуспешных попыток увидеть параллакс это наконец сделал Фридрих Бессель в 1838 году для звезды 61 Лебедя. Позже выяснилось, что Томас Хендерсон наблюдал Альфу Центавра в 1832–1833 годах и видел параллакс, но побоялся опубликовать свои результаты до того, как это сделал Бессель, и опубликовал их лишь в 1839 году. Земля действительно обращается вокруг Солнца.
1840-е: открытие Нептуна
Когда появилась седьмая планета, на которой можно было проверять законы Кеплера, астрономы заметили серьёзную аномалию: казалось, что Уран нарушает второй закон Кеплера. Вместо того чтобы двигаться по эллипсу так, что радиус-вектор описывает равные площади за равные промежутки времени, он сначала движется слишком быстро, затем с нужной скоростью, а затем слишком медленно.
Несколько теоретиков исследовали идею о том, что более далёкая восьмая планета гравитационно воздействует на Уран, но правильным оказалось решение Урбена Леверье. Он отправил свои предсказания в Берлинскую обсерваторию, где Иоганн Галле и Генрих д’Арре открыли Нептун в ту же ночь, когда пришло письмо: 23 сентября 1846 года.
Это было первое в истории открытие материи исключительно по её гравитационному воздействию: первая «тёмная материя».
1850-е: событие Кэррингтона
Это, пожалуй, самое важное событие в истории солнечной астрономии и гелиофизики. Астроном Ричард Кэррингтон отслеживал большое неправильное солнечное пятно, когда на нём внезапно произошла вспышка в белом свете беспрецедентной яркости, продлившаяся около 5 минут. Спустя 17 часов на Земле произошла самая сильная геомагнитная буря из когда-либо зарегистрированных: полярные сияния наблюдались вплоть до экватора, а ранние электрифицированные системы, например телеграф, самопроизвольно включались и загорались. Это был первый в истории сбой электрических сетей. Солнечная астрономия с тех пор шагнула далеко вперёд, но событие, подобное Кэррингтонскому, сегодня обернулось бы катастрофой с ущербом в многие триллионы долларов. И, что ужасно, мы до сих пор не приняли никаких существенных мер защиты.
1860-е: спектроскопия привела к открытию гелия
В начале 1860-х годов астроном Уильям Хаггинс впервые применил звёздному свету метод спектроскопии, или разложение света на составляющие его длины волн. Всего несколько лет спустя, в 1868 году, астрономы Пьер Жансен и Норман Локьер обнаружили неизвестную спектральную линию в атмосфере Солнца: это было первое обнаружение гелия, открытого в космосе раньше, чем он был обнаружен на Земле. Такое произошло с химическим элементом впервые.
Сегодня спектроскопия используется для определения всевозможных атомных, ионных и молекулярных спектральных отпечатков, но именно 1860-е годы стали первым десятилетием, когда её применили для космических целей, и с крайне важными последствиями.
1870-е: зарождение классификации звёзд
Сегодня мы понимаем сложную связь между цветом и температурой звезды, а также между спектральными линиями, химическим составом и ионизацией, но прежде чем мы пришли к современной схеме, потребовался долгий и медленный процесс длиной в несколько десятилетий. А звёздная классификация началась в 1870-х годах с работ Анджело Секки. Секки создал основу из четырёх классов:
I: белые и голубые звёзды с широкими линиями водорода;
II: жёлтые звёзды с выраженными линиями металлов;
III и IV: оранжевые, красные и богатые углеродом звёзды.
Так звёзды были разделены на классы по измеримым свойствам, таким как цвет и выраженность спектральных линий. Вскоре после этого, также в 1870-х, астроном Герман Фогель объединил два класса Секки и ввёл подкатегории для отслеживания тонких различий в линиях: так родилась классификация звёзд.
1880-е: начало астрофотографии туманностей и галактик
Хотя фотография существовала уже несколько десятилетий, а первый снимок звёзд был сделан ещё в 1850-х годах, именно сочетание телескопов и фотокамер впервые позволило выявить в объектах глубокого космоса структуры, слишком тусклые для человеческого глаза. Это дало огромный прирост детализации, которую мы могли видеть в туманности Ориона и, что особенно впечатляюще, в туманности Андромеды (ныне галактике Андромеды), включая открытие её спиральных рукавов. Это подготовило почву для всей современной астрономии длительных экспозиций: от фотопластинок до сегодняшних цифровых изображений.
1890-е: открытие преобразований Лоренца
Это был, пожалуй, самый важный шаг на пути к теории относительности. Преобразования Лоренца объединили прежнюю идею инвариантности скорости света, следующую из уравнений Максвелла, нулевой результат опыта Майкельсона-Морли и концепцию сокращения длины, предложенную Фицджеральдом. Они впервые предсказали замедление времени и корректно описали, как складываются скорости вблизи скорости света, вразрез с законами Ньютона. Это проложило путь сначала к созданию Эйнштейном специальной теории относительности, а затем общей теории относительности, которая привела к современной картине реальности в XX веке.
1900-е: рождение астрономии высоких энергий
В 1900 году в лабораторном эксперименте с радием физик Поль Виллар обнаружил гамма-лучи — самую высокоэнергетическую форму излучения, превосходящую по энергии рентгеновское излучение. В том же году Макс Планк предложил решение загадки, известной как ультрафиолетовая катастрофа: энергия квантуется, в том числе и энергия света. Объяснение фотоэффекта Эйнштейном в 1905 году показало, как её можно количественно описывать и измерять, а многочисленные теоретические предсказания дали основания ожидать, что в космосе существует излучение на всех длинах волн. В следующем десятилетии астрономия на аэростатах начала измерять космические частицы, и до конца XX века астрономия стала развиваться во всех известных диапазонах длин световых волн.
1910-е: экспериментальное подтверждение новой теории гравитации
В 1905 году Эйнштейн представил миру специальную теорию относительности, а после десятилетия дальнейшей работы — общую теорию относительности, которая содержала новую теорию гравитации. Хотя до этого существовали косвенные проверки относительности, например, рассчитанные на её основе особенности орбиты Меркурия, прямой проверкой новой теории стало предсказание: свет звёзд должен был казаться искривлённым под действием гравитации Солнца во время полного солнечного затмения.
29 мая 1919 года экспедиции на нескольких континентах под руководством Артура Эддингтона провели эту решающую проверку. Результаты подтвердили правоту Эйнштейна и ошибочность ньютоновского предсказания и открыли эпоху общей теории относительности (ОТО). Более века спустя ОТО по-прежнему остаётся лучшим описанием гравитации.
1920-е: спиральные туманности оказались галактиками за пределами Млечного Пути
Ещё в 1920 году состоялись Великие дебаты, предметом которых была природа спиральных туманностей. Являются ли они протозвёздами или другими объектами внутри нашего Млечного Пути? Или же они сами являются галактиками, «островными вселенными», находящимися за пределами нашей Галактики?
Спор был решён лишь три года спустя: в 1923 году Эдвин Хаббл наблюдал в Андромеде объекты, которые оказались отдельными звёздами. Это позволило вычислить расстояние и определить, насколько далёк объект: он находился далеко за пределами расстояний до объектов Млечного Пути. Это привело ко многим другим подобным измерениям расстояний и в конечном счёте к открытию расширяющейся Вселенной. Космология с тех пор уже никогда не будет прежней.
1930-е: первые указания на тёмную материю
В 1930-х произошло множество увлекательных событий. Расширяющаяся Вселенная стала общепризнанной. Были идентифицированы сверхновые и остатки сверхновых; тогда же появился сам термин. Была разработана первоначальная идея Большого взрыва, или «первичного атома», как его называли. Но, пожалуй, самым важным стало первое указание на тёмную материю: её обнаружили, наблюдая относительные скорости отдельных галактик внутри одного скопления галактик.
Расхождение между:
массой, определяемой по свету звёзд, то есть звёздной массой, и
массой, определяемой по движению галактик, то есть гравитационной массой,
оказалось огромным и стало первым доказательством существования тёмной материи. Хотя к этому не относились серьёзно почти 40 лет, до работ Веры Рубин и измерений кривых вращения отдельных галактик, также невозможно переоценить и космологическое значение работы Фрица Цвикки.
1940-е: развитие теории Большого взрыва
Хотя идея экстраполяции расширения Вселенной назад во времени существовала давно, именно в 1940-х годах Георгий Гамов и его соавторы Ральф Альфер и Роберт Герман начали разрабатывать последствия горячего, плотного, быстро расширяющегося и довольно однородного начального состояния. Это привело к ряду ключевых предсказаний:
космическая паутина структуры, формирующаяся иерархически, и более примитивные галактики в прошлом: сначала образуются структуры меньшего масштаба, а более крупные созревают позже;
остаточное излучение («первичный огненный шар»), которое испытывает красное смещение и охлаждается, образуя сегодняшний фон низкоэнергетического излучения;
ранний этап ядерного синтеза, в котором образуются элементы тяжелее водорода;
реликтовая популяция нейтрино и антинейтрино, образующая фон ещё более холодный, чем остаточное излучение.
К сегодняшнему дню все эти предсказания подтвердились. Их корни восходят к Гамову и его коллегам — первым, кто стал развивать эти идеи.
1950-е: понимание ядерной физики внутри звёзд
Впрочем, когда речь шла о происхождении элементов, Большой взрыв был не единственной рассматриваемой возможностью. Элементы также образуются в результате ядерного синтеза в звёздах, и мы долго не знали, как именно это происходит. В 1950-х годах группа учёных разобралась в этом.
Астрономическую часть представляли Марта и Джеффри Бербиджи; теоретическую физику — Фред Хойл; ядерные эксперименты — Уильям, или Вилли, Фаулер. Вместе они разработали теорию того, как тяжёлые элементы создаются в звёздах из одного лишь водорода. Открытие тройного альфа-процесса и предсказанного Хойлом возбуждённого состояния углерода подтвердило правильность всей концепции. Теперь мы знаем, что, за исключением самых лёгких элементов, именно звёздный нуклеосинтез отвечает за большую часть тяжёлых атомов во Вселенной.
1960-е: найдено решающее доказательство Большого взрыва — CMB
В середине 1960-х годов была введена в работу новая антенна, предназначенная для радиолокации: рупорная антенна в Холмделе. Во время её калибровки операторы Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили надоедливый гул — источник шума, приходивший со всех направлений неба. Они перепробовали всё: повторно калибровали антенну, выключали и включали её, направляли на землю (гул исчезал), и даже чистили её и убирали птиц, облюбовавших антенну. Наконец их посетил рецензент, который указал им на статью группы Боба Дикке из Принстона. Эта статья позволила отождествить этот «гул» с предсказанным фоновым излучением Большого взрыва. Так было открыто космическое микроволновое фоновое излучение, или CMB, cosmic microwave background, также называемое реликтовым излучением, и с тех пор модель Большого взрыва вошла в научную повестку.
1970-е: рождение теории инфляции
На протяжении 1970-х годов произошло много важных событий. Тёмная материя вышла на первый план благодаря наблюдениям вращающихся галактик, началось картирование космической паутины, в CMB были обнаружены первые неоднородности, началось проектирование разработки космических телескопов: они дают доступ к диапазонам длин волн, которые невозможно наблюдать с поверхности Земли.
Однако размышления над загадками Вселенной, или наблюдаемыми фактами, которые мы не могли объяснить или предсказать (например, почему она везде имеет одинаковую температуру, почему темп расширения и плотность энергии так идеально сбалансированы и почему не осталось высокоэнергетических реликтов), привели к рождению идеи космической инфляции. Хотя основателем идеи обычно считают Алана Гута, который предложил её в 1979 году, примерно в то же время её рассматривали многие другие, в том числе Роберт Браут, Алексей Старобинский и Эдвард «Рокки» Колб. Сегодня она вытеснила Большой взрыв в качестве нашей главной космогонической истории происхождения, но сама идея восходит ещё к концу 1970-х годов.
1980-е: рождение нейтринной астрономии
В 1980-х годах мы строили огромные резервуары с жидкостью, окружённые фотоэлектронными умножителями: не для обнаружения нейтрино, а для поиска распада протонов. Протон, конечно, не распался, поэтому всё, что мы видели, было «фоном» солнечных нейтрино. Затем произошло беспрецедентное событие: вспышка сверхновой в Большом Магеллановом Облаке, галактике-спутнике всего в 165 000 световых лет от нас. Детектор зарегистрировал десятки нейтрино, причём за целых четыре часа до прихода первого света от сверхновой. Так мы стали регистрировать не только свет, но и частицы. К настоящему времени наш охват распространился на многие миллионы световых лет, и нейтринная астрономия стала полноценной самостоятельной наукой.
1990-е: ускоряющаяся Вселенная и тёмная энергия
Вселенная расширяется, это факт. Но будет ли она расширяться вечно, или расширение когда-нибудь остановится и сменится обратным сжатием? Измеряя стандартизованные объекты на разных расстояниях, мы могли проследить эволюцию нашего космологического расширения и получить ответ. Используя данные по сверхновым типа Ia, две независимые группы первыми пришли к ответу в конце 1990-х годов.
К удивлению, они обнаружили, что Вселенная не только продолжит расширяться, но и само расширение ускоряется: это требовало ввести новую форму энергии, которая доминирует в космическом энергетическом балансе, тёмную энергию. Хотя в начале XXI века мы весьма точно определили свойства тёмной энергии, именно её открытие в 1998 году стало величайшим космологическим достижением 1990-х.
2000-е: детальные измерения CMB раскрыли состав Вселенной
Из чего состоит Вселенная? Чтобы ответить на этот вопрос, можно посмотреть на неоднородности космического микроволнового фона, флуктуации уровня микрокельвинов на фоне с температурой около 3К, и на то, как эти неоднородности коррелируют на разных космологических масштабах. Хотя с тех пор к ним присоединились другие независимые свидетельства, и хотя ACT, SPT и Planck превзошли первоначальную точность WMAP, достигнутую в её первых результатах 2003 года, именно эти неоднородности в CMB впервые дали нам картину Вселенной, которая:
расширяется со скоростью около 70 км/с/Мпк;
имеет возраст около 13,8 млрд лет;
состоит примерно на 70% из тёмной энергии;
примерно на 25% из тёмной материи;
и лишь примерно на 5% из обычной материи, с небольшой примесью фотонов и нейтрино.
Хотя с тех пор возникло много дополнительных загадок, эта общая согласованная картина остаётся верной и сегодня.
2010-е: рождение гравитационно-волновой астрономии
Конечно, в этом десятилетии произошло и многое другое: выявление хаббловского напряжения, бум открытий экзопланет, первые изображения Плутона с близкого расстояния и первое изображение горизонта событий чёрной дыры. Но крупнейшей революцией стала регистрация слияний чёрных дыр совершенно новым способом — гравитационно-волновой астрономией.
Первые гравитационные волны были замечены, когда парные детекторы Advanced LIGO впервые включились в 2015 году, а объявление о них последовало уже в 2016 году. Теперь, десять лет спустя, насчитывается уже 390 подтверждённых регистраций, и доказательств достаточно даже для определения происхождения этих чёрных дыр. Вместо одного излучения у нас теперь есть три способа наблюдения Вселенной: свет, частицы и гравитационные волны.
2020-е: открытие объектов типа «маленькая красная точка»
В 2021 году был запущен космический телескоп «Джеймс Уэбб», JWST, — самый мощный космический телескоп за всю историю. Он показал нам множество удивительных сторон Вселенной, но одним из крупных сюрпризов, до сих пор не получивших полного объяснения, являются галактики типа «маленькая красная точка», которые он наблюдает. Являются ли они гибридами галактик и квазаров? Возникают ли они как следствие эволюции огромных сверхмассивных звёзд? Похоже, они указывают на то, что чёрные дыры появились раньше галактик, в которых мы их находим; неужели это действительно может быть правдой? И, возможно, они объясняются повышенной активностью сверхмассивных чёрных дыр; но действительно ли это верный ответ?
------------------------------------------
Если выделить всего лишь по одному открытию на каждое из последних 20 десятилетий, можно увидеть, насколько впечатляюще продвинулось наше понимание Вселенной. С каждым новым открытием появляется гораздо больше вопросов, которые мы умеем задавать. Пока мы продолжаем предпринимать попытки задавать Вселенной вопросы о ней самой, мы неизбежно будем открывать новые факты о нашей общей реальности.
Хотя мы не можем предсказать, что найдём в ближайшие десятилетия, мы знаем, что должны продолжать наблюдения. В конце концов, сам акт открытия — величайшая часть занятия наукой.
