Лекция «Есть ли предшественник нашей Вселенной?» состоялась 10 апреля в Информационном центре по атомной энергии (ИЦАЭ) Ростова-на-Дону в рамках проекта «ИЦАЭ OPEN», посвящённого Дню космонавтики.

Гости и жители города, неравнодушные к истории жизни Вселенной, окунулись в мир удивительных и завораживающих фактов о космосе и способах его изучения. А проводником в этот мир для них стал Владимир Корчагин, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории космических исследований НИИ Физики Южного Федерального Университета.

Свою лекцию учёный начал с пояснения — почему же она называется именно так? Интригующее название «Есть ли предшественник у нашей вселенной?» обусловлено тем, что на этот вопрос, помимо прочих ключевых вопросов современной астрономии, призван ответить самый совершенный телескоп, которым располагает человечество на сегодня — «Джеймс Уэбб». Об этом телескопе и проекте, обеспечивающем его работу, и рассказал спикер.

Аппарат, о котором слышал, наверное, каждый человек, интересующийся астрономией, призван дополнить и расширить возможности телескопа «Hubble», не менее известного в научных и околонаучных кругах.  Орбитальная обсерватория «James Webb» спроектирована для наблюдения более длинноволнового излучения в близкой инфракрасной области. Она обладает улучшенной чувствительностью и большим диаметром.

Почему же астрономам так важны наблюдения на больших длинах волн инфракрасного диапазона? Дело в том, что они позволяют заглянуть в прошлое нашей Вселенной, причём без всяких машин времени и прочих фантастических приспособлений. Только физика, никакого мошенничества. А если быть точнее, то всему виной эффект Доплера.

Владимир Корчагин кратко объяснил слушателям, в чём он заключается: когда какой-нибудь излучающий объект удаляется от нас, его наблюдаемая длина волны увеличивается, и нам кажется, что он «покраснел». Приближающиеся же объекты наоборот «синеют». Причём чем быстрее, тем сильнее.

Далёкие галактики, находящиеся «у истоков» Вселенной, удаляются из-за её ускоренного расширения настолько быстро, что их излучение из видимого диапазона переходит в инфракрасный. И в их наблюдении астрономам вот уже почти 4 года помогает «Джеймс Уэбб». Ещё смещение в инфракрасный диапазон происходит в газопылевых облаках — «колыбелях», где рождаются звёзды. Частички газа и пыли, сталкиваясь с квантами света, уменьшают их энергию, увеличивая длину волны. Таким образом, новая современная обсерватория позволяет заглянуть в очень далёкие и очень важные для изучения уголки космоса.

Из чего же состоит «Джеймс Уэбб»? Большую часть полезной нагрузки (около 6 тонн) составляет топливо, оно нужно для корректировки положения телескопа и его орбиты. Главное зеркало (а телескоп именно зеркальный), имеет диаметр 6,5 метров, а общую площадь — примерно 25 квадратных метров. Это рекордный размер среди космических телескопов. Зеркало состоит из 18 шестиугольных фрагментов на подложке из бериллия и покрыто золотом.

«Наш герой» защищён пятислойным тепловым экраном, позволяющим поддерживать температуру зеркала ниже 50 градусов Кельвина — это минус 223 градуса по Цельсию. Такая температура обусловлена как раз диапазоном наблюдения — эффективная температура инфракрасного излучения очень низкая. Ещё аппарат необходимо защищать от Солнца, с этой задачей успешно справляется тепловой противосолнечный щит размером 20×7 метров. Как пошутил Владимир Иванович, там можно играть в бадминтон. Щит сделан из специальной полимерной плёнки, покрытой тонким слоем алюминия.

Телескоп выведен во вторую точку Лагранжа — это одна из точек в системе Земля-Солнце, где гравитация двух небесных тел уравновешена, и объект, помещённый в эту точку, будет перемещаться вокруг Солнца с угловой скоростью Земли. Расстояние от Земли до аппарата составляет примерно 1,5 миллиона километров. Положение нужно постоянно корректировать, чтобы равновесие оставалось устойчивым.

После технической части лектор перешёл к самому интересному — как же инфракрасные наблюдения «Джеймса Уэбба» помогут учёным ответить на вопрос о предшественнике нашей Вселенной? Дело в том, что если по этим наблюдениям оценивать возраст некоторых галактик, то он получится всего 400-500 миллионов лет с момента возникновения Вселенной. При этом их характеристики развития, в частности большая масса, совсем не могли сформироваться за такой короткий по космическим меркам срок. На эту тему возникло много спекуляций, в том числе предполагали, что мы наблюдаем галактики из параллельной Вселенной.

Однако, как отметил Владимир Корчагин, уже в прошлом году был опубликован ряд статей, выдвигающих смелые гипотезы, призванные решить этот вопрос, не создавая сущностей сверх необходимого. Проблема заключается в том, что львиную долю излучения галактик берут на себя сверхмассивные чёрные дыры в их центрах (да, чёрные дыры излучают, потому что на них с огромной скоростью несётся вещество, нагреваясь от трения). На их возникновение необходимы миллиарды лет, которых у обсуждаемых галактик не было.

После краткого экскурса в физику звёзд слушатели узнали, что чёрные дыры могут быть сформированы вследствие звёздной эволюции, но их массы очень маленькие по сравнению с массами галактик, наблюдаемых Уэббом. Звёзд с массой 5 миллионов масс Солнца не существует, и возникает вопрос — а откуда, собственно, взялись такие чёрные дыры в ранней Вселенной? Одно из предположений по результатам исследования, рассмотревшего 21 галактику возрастом 12-13 миллиардов лет, звучит так: в самом начале формирования Вселенной существовали так называемые массивные флуктуации. Второе — первичные чёрные дыры, возникшие в начале времён, сливались друг с другом, образуя сверхмассивные.

Владимир Иванович решил добавить пару ложек дёгтя в бочку мёда красивых гипотез. Да, отношение излучения от чёрных дыр в центрах ранних галактик к излучению их звёздной составляющей очень велико, но есть одно но… Если рассмотреть, к примеру, нашу галактику, можно понять, что большая часть её звезд — это маломассивные красные карлики, излучающие очень и очень мало энергии. Тем не менее таких звёзд около 70%, а значит, их суммарная масса по сравнению с излучением может быть недооценена.

Вторая ложка дёгтя — переход в инфракрасную область ведёт к увеличению длины волны, а разрешение телескопа определяется отношением его диаметра к длине волны. Поэтому, хоть диаметр Уэбба и больше, его разрешение из-за большей длины волны в лучшем случае такое же, как у Хаббла. Соответственно, часть «звёздного» излучения может быть упущена.

Гости задавали спикеру множество вопросов, а после лекции подходили, чтобы пообщаться с Владимиром Ивановичем лично.

Каждый четверг ИЦАЭ Ростова-на-Дону работает в формате открытой площадки для любителей науки всех возрастов. В этот день гостей центра ждут познавательные мастер-классы, интеллектуальные и подвижные игры, встречи с научными экспертами и научно-популярные ток-шоу.