Вселенная постоянно меня удивляет тем, что здесь на Земле нет ничего постоянного — облака в небе в следующую секунду уже другой формы, а птенцы, едва вылупившись, уже через несколько недель становятся взрослыми птицами и навсегда покидают гнездо. Все меняется настолько стремительно, что кажется, и в космосе так же. Но нет, всякий раз, когда я получаю спектр звезды и вижу ее линии водорода неизменно на одних и тех же позициях, я удивляюсь: неужели свет не встречает на своем пути ничего, что может его изменить, там действительно так пусто?
Например, от Бетельгейзе свет идет около 600 лет, но в любой день сними ее спектр — линии на своих местах. А если взять объект за миллиарды световых лет от Земли, что покажут фотоны? Ученые говорят, на таком расстоянии длина волны света сильно растянута из‑за расширения пространства и линии смещены в красную зону спектра.
Мне захотелось проверить это самой. Что из этого вышло, я расскажу ниже, и забегая вперед, скажу, что спектр меня удивил. А начну с любопытной предыстории.
Часть 1 — Голубое смещение
Ночью 17 сентября 1912 года Весто Слайфер, 36-летний астроном из обсерватории Лоуэлла в Аризоне, установил стеклянную фотопластину в спектрограф 24-дюймового телескопа, навел его на центр туманности Андромеды и, открыв заслонку кассеты для доступа света, начал экспозицию длиной почти 7 часов.
Фотопластина того времени представляла собой стекло, покрытое эмульсией с кристаллами светочувствительных солей серебра. Пока заслонка была открыта, каждый входящий фотон понемногу изменял эмульсию и слабый спектр мог часами накапливаться на пластине.
По окончании наблюдений пластину вынимали и проявляли в темноте химическим раствором почти также, как обычную фотопленку. После чего на пластине можно было увидеть тонкий спектральный след. Но рассмотреть его и определить точное расположение линий можно было только под микроскопом. Поэтому Слайфер помещал пластину в измерительный прибор и еще часами работал над определением известных линий поглощения или эмиссии, и сверял их с лабораторными показателями.
Именно так он увидел, что линии Андромеды были сдвинуты в синюю часть спектра, то есть световая волна сжалась, а это значит ее источник находится в движении.
Если значение наблюдаемой длины волны разделить на лабораторное значение и из полученного числа вычесть единицу, мы получим коэффициент смещения. А дальше все просто: скорость света, умноженная на этот коэффициент, показывает, как быстро источник света приближается к нам или удаляется от нас вдоль линии, соединяющей объект и наблюдателя (это называется лучевой скоростью).
Именно этот расчет сделал Слайфер и получил скорость около -300 км/с, где знак минус означал, что Андромеда приближается к Земле.
Эта новость была не просто ошеломляющей. Она положила начало цепочке открытий, из которой выросла вся современная космология, в том числе представление об ускоренном расширении Вселенной.
Часть 2 — Красное смещение
114 лет спустя, 15 августа 2026 года, я навела небольшой любительский телескоп со спектрографом на другую галактику, в центре которой светится знаменитый квазар 3С 273. Его выбор был не случайным — в мощном потоке излучения квазара присутствуют фотоны, возникающие в результате квантовых переходов в атомах водорода. Такие фотоны оставляют хорошо заметные эмиссионные линии в спектре.
Именно эти линии я надеялась увидеть, повторив эксперимент Слайфера, с той лишь разницей, что вместо фотопластины теперь используется цифровой детектор, а данные спектра сохраняются в стандартные в астрономии FITS файлы. Файлы обрабатываются Python пайплайном и уже через несколько минут он выдает откалиброванный спектр с эмиссионными линиями водорода, значительно смещенными в красную зону — знаменитый redshift, сигнализирующий о расширении Вселенной.
Ниже график, который я получила, с хорошо заметным смещением эмиссионных линий водорода в спектре квазара 3С 273:
Красные тругольники на линии графика отмечают локальные максимумы, автоматически выделенные алгоритмом после сглаживания спектра.
Две голубые стрелки на графике, которые я уже сама добавила для пояснения, указывают на два из этих максимумов — эмиссионные пики водорода Н‑гамма на позиции 502.4 нанометра (нм) и Н‑бета на 563.5 нанометра (нм).
Итого, лабораторные значения линий водорода, их наблюдаемые длины волн и рассчитанные коэффициенты смещения выглядят так:
Линия водорода | Лабораторная длина волны, нм | Наблюдаемая длина волны квазара 3С 273, нм | Коэффициент смещения |
Н‑гамма | 434.05 | 502.4 | 502.4/434.05 — 1 = 0.15747 |
Н‑бета | 486.13 | 563.5 | 563.5/486.13 — 1 = 0.15915 |
Усредненный коэффициент красного смещения в полученном мною спектре составил 0.158.
Сказать, что я была удивлена, это ничего не сказать. Честно, я была в шоке, потому что мой коэффициент совпал с официальным значением 0.158 до третьего знака после запятой, рассчитанным учеными на профессиональном оборудовании для квазара 3С 273.
Но почему же я удивилась, зная этот коэффициент?
Я — астроном‑любитель с опытом чуть больше года, и доступный мне через онлайн обсерваторию инструмент — это маленький 80-миллиметровый телескоп‑рефрактор StellaMira с установленным на нем бесщелевым спектрографом Star Analyser 100. Бесщелевой означает, все, что попало в кадр раскладывается на спектры (звезды, галактики, кометы). И если в кадре один целевой объект и десяток посторонних — с этой сеткой спектров надо работать: по координатам найти свой объект и его спектр, найти подходящую референсную звезду и ее спектр для калибровки. Вытащить оба спектра и проанализировать, сначала визуально, а затем в Python pipeline, специально разработанным для этой цели (про его первоначальную разработку я писала здесь).
Съемка велась в августе 2026 года, когда квазар едва поднимался над горизонтом в северном полушарии, а следующее окно открывалось только в ноябре. Ждать не хотелось и я рискнула. В итоге получила 4 кадра с экспозицией 50 секунд каждый и с высотой квазара над горизонтом всего 16 градусов.
У меня осталась запись с той миссии:
Представляете какая толща земной атмосферы на этой высоте оказалась на пути у тоненького луча света, пришедшего от квазара через 2 миллиарда световых лет? Кстати, эту толщу косвенно видно на графике выше — справа на 837 нм есть огромный провал — это атмосфера Земли, а именно широкая полоса поглощения водяного пара.
Поэтому я и думала, что задача безнадежная, но увидев два пика водорода на ожидаемых позициях, не могла поверить своим глазам. И лишь согласованность коэффициентов смещения, рассчитанных отдельно по каждой линии, убедила меня.
Дальше я захотела применить ту же формулу, что и Слайфер для приблизительной оценки скорости, она называется формулой эффекта Доплера и умножила скорость света на полученный коэффициент:
300 000 км/с * 0.158 = 47 400 км/с
Означает ли это, что галактика с квазаром в ее центре летит со скоростью 47 тысяч километров в секунду? Представить себе такую картину трудно, но она и неверна. Происходит нечто другое — между нами и галактикой расширяется само пространство, его становится больше каждую секунду. Это увеличивает расстояние между нами и квазаром так сильно, что удаление от нас происходит приблизительно со скоростью 47 400 км/с.
А что происходит с материей в расширяющемся пространстве и как она влияет на проходящий через нее свет квазара?
Средняя плотность материи уменьшается, особенно в межгалактической среде — за 2 миллиарда лет она становится еще более разряженной, оставляя фотонам еще меньше шансов на взаимодействие с окружающим веществом.
Но фотоны квазара пересекают как минимум две галактики — родную и Млечный Путь. В них материя более плотная, и могла бы создать препятствия при прохождении через нее луча света. Но эти взаимодействия настолько малы, что почти не меняют спектр.
Главное влияние от расширения пространства приходится на растяжение длин волн света. Поток фотонов квазара рождается рядом с активно питающейся сверхмассивной черной дырой: колоссальное излучение аккреционного диска возбуждает окружающий водород, и он оставляет в спектре мощные эмиссионные линии. За 2 миллиарда лет длины волн света значительно растягиваются и весь первоначальный рисунок спектральных линий смещается. И когда он доходит до Земли, даже слабый спектр показывает пики эмиссионных линий водорода там, куда их переместило красное смещение, ровно на те значения, которые видны на графике выше.
Каждый раз, когда я вижу такую четкую согласованность в спектре света, дошедшего до нас из глубин космоса и пойманного даже любительским оборудованием, я поражаюсь с какой математической точностью работает Вселенная.
Часть 3 — Ускоренное расширение или главная загадка Вселенной
Примерно в это же время, когда я наводила телескоп на квазар, мне попался ролик астрофизика Бориса Штерна с лекцией, где ему задали вопрос про главную загадку Вселенной. Звучала она так: почему энергия вакуума во Вселенной равна нулю? Честно говоря, я не сразу поняла, что имеется в виду, потому что по моим представлениям в космосе не пустой вакуум и его энергия не ноль. Пришлось разбираться и уточнять, что имеется в виду.
Коротко это можно изложить так.
Основные компоненты нашей Вселенной хорошо известны: квантовые поля лежат в основе всего, а их реальные возбуждения образуют излучение (фотоны), барионную материю (галактики, звезды, планеты, мы с вами — все вещество) и, предположительно, темную материю.
Если мысленно удалить из кубометра космического пространства все реальные частицы и излучение, поля останутся в своем вакуумном состоянии. Квантовая теория приписывает этому состоянию колоссальную энергию: она появляется в расчетах, когда складывают минимальные энергии всех возможных колебаний квантовых полей, даже тех, в которых нет ни одной частицы — это и называют вакуумом.
Но есть нюанс, если сама квантовая теория многократно подтверждена физическими экспериментами, в том числе на ускорителях частиц, то рассчитанная колоссальная энергия вакуума никогда непосредственно не наблюдалась. То есть является выводом теоретической физики или, иными словами, ожидаемым эффектом, но пока не подтвержденным экспериментами.
С другой стороны, ученые, сопоставив красные смещения далеких объектов с независимыми измерениями расстояний и другими космологическими наблюдениями, обнаружили ускоренное расширение. Затем с помощью уравнений Фридмана они определили, какой плотностью должен обладать дополнительный компонент Вселенной, чтобы объяснить ускоренное расширение. То есть рассчитали плотность энергии этого компонента в обратном порядке, на основе наблюдаемых данных.
Этот компонент назвали темной энергией, а плотность ее энергии оказалась крошечной, близкой к нулю: 3–4 ГэВ на кубический метр пространства. Если это и есть энергия вакуума, мы сталкиваемся с тем, что физики называют самым серьезным расхождением между теорией и наблюдениями в истории науки: на одной чаше весов вакуум с почти нулевой плотностью энергии, на другой — фантастическая величина порядка 10123 ГэВ на тот же кубический метр, и неясно, куда девается энергия такой плотности.
Это расхождение и составляет главную загадку Вселенной — «вакуумная катастрофа».
Поняв это, я подумала, как удачно, то есть я сейчас смогу сделать первый шаг к решению этой проблемы. А именно — посмотрю на красное смещение квазара и «вдруг увижу что‑то необычное». Ведь свет идет через пространство, наполненное темной энергией, а значит есть шанс увидеть ее «след». Нет, я, конечно, понимаю, что фотоны не взаимодействуют с темной энергией как с частицами газа и пыли. Но она влияет на историю расширения пространства, а расширение растягивает свет. Значит, какая‑то связь все‑таки есть, вопрос лишь в том, можно ли ее увидеть в одном спектре.
Я стала прояснять этот вопрос и поняла, что направление мысли в целом не противоречит науке, но пока такие исследования мне не по зубам и одного квазара недостаточно — нужны миллионы галактик. Ученые измеряют красные смещения и формы галактик из разных эпох, а затем по их распределению восстанавливают, как менялись скорость расширения Вселенной и рост космической структуры. После этого наблюдаемую картину сравнивают с разными моделями: если плотность темной энергии остается постоянной во времени — это один вывод, если меняется — совершенно другой.
Чтобы оказаться на этой развилке, необходимо обработать колоссальные массивы данных при помощи big data и ML. Хорошая новость в том, что такие проекты есть и они уже работают. Например, проект Евклид — телескоп с камерой, работающей в видимом диапазоне, и спектрометр, работающий в инфракрасном. Почему в инфракрасном — потому что объекты, которые он изучает, находятся запредельно далеко — 10 и более миллиардов световых лет. На таком расстоянии многие линии спектра смещаются в инфракрасную зону. Евклид уже запущен в космос и работает с 2023 года и в ноябре 2026 года ожидается выгрузка основного релиза с данными за первый год наблюдений. Но уже сейчас он открыл несколько квазаров ранней Вселенной с коэффициентом красного смещения…поверить не могу…выше 7! А это значит объекты удалены от нас на более чем 13 миллиардов световых лет!
Таких проектов несколько и считается, что в ближайшие 10 лет может произойти научный прорыв в теме темной материи и темной энергии. Возможно появятся новые представления о природе наблюдаемого расширения Вселенной и причинах его ускорения. Нам остается ждать результатов обсерваторий. Оставайтесь на связи, будет интересно.
