Протягом всієї історії людства люди намагалися зрозуміти себе в контексті свого місця розташування. Ми ідентифікуємо себе з місцем, де народилися і живемо, а часто і з тими місцями, куди тільки прямуємо. Одна з найстаріших карт світу відноситься до месопотамії vii або vi століття (до нашої ери). Вавилонська карта світу, або imago mundi (від лат. “образ світу”) – це проста клинописна глиняна табличка. Її вісім розділів описують регіон навколо річки євфрат у вавилоні. Але це набагато більше, ніж просто фізичне представлення місця, де жили вавилоняни.

Євфрат обведений колом, який символізує океан або»гірку річку”. Ділянки за межами кругового океану називаються “нагу«, або» далекі області”, деякі з яких також згадуються в вавилонському епосі про гільгамеша. Взаємозв’язок між частинами карти показує нам, що стародавні вавилоняни намагалися вписати себе і своє місце розташування в великі незвідані області, недоступні для їх розуміння. На сьогоднішній день людські цивілізації витратили багато років на вивчення зірок і планет і їх переміщень по небу. Але imago mundi-це найдавніша карта нашого середовища проживання – її тоді теж було дуже нелегко вивчати.

вавилонська карта світу, або imago mundi / © the trustees of the british museum

Переді мною з боків гігантського телескопа два ножичних підйомника з людьми, прив’язаними до металевих поручнів. Десь глибоко всередині, де повинна працювати орда в 5000 роботів, стався витік масла, і через це дивитися на галактики неможливо. Я приїхала подивитися на 4-метровий телескоп mayall в національній обсерваторії кітт-пік в арізоні в самий звичайний робочий день у вересні 2019 року. Коли я почала підйом в гору, небо було чистим. По сторонах дороги виднілася зелень кущів і шаруваті скелі, схожі на торт наполеон. Вони з’явилися тут близько 200 мільйонів років тому, в тріасовий період.

обсерваторія кітт-пік. / © wikimedia

З кожною хвилиною підйому на 2098 метрів моя машина все глибше занурювалася в хмару — все навколо ставало матовим. Коли я припаркувалася і вийшла з машини, вітер мало не збив мене з ніг. Я підняла голову, щоб подивитися на купол обсерваторії-але не побачила його. Купол, в якому знаходиться чотириметровий телескоп mayall, знаходився на висоті 18 поверхів, і був абсолютно прихований хмарами.

Команда обсерваторії кітт-пік майже завершила установку приладу desi, який буде шукати у всесвіті темну енергію — невловиму силу, через яку наша всесвіт розширюється зі швидкістю в десятки тисяч кілометрів в секунду (70 кілометрів в секунду на мегапарсек, якщо бути точним). Desi (англ. Dark energy spectroscopic instrument-спектроскопічний прилад темної енергії) зробив свій перший астрономічний знімок 22 жовтня 2019. Його мета дуже амбітна-зробити максимально детальну тривимірну карту всесвіту. Для цього потрібно озирнутися назад на 11 мільярдів років тому, коли всесвіт була дуже молодий, галактики тільки починали формуватися, і взагалі всесвіт була куди компактніше.

Desi зробив свій перший астрономічний знімок. у березні 2020 року введення в експлуатацію було завершено і призупинено на час пандемії. 17 травня 2021 року стартував п’ятирічний збір даних.

Тисячі років люди піднімалися на гори і перетинали річки, щоб побудувати карту і визначити своє місце в світі. У певному сенсі ця тривимірна карта всесвіту є останньою, яку люди можуть створити. Ми простежили межі суші, відзначили річки і океани, країни і види. Ми нанесли на карту марс, місяць, сонячну систему і навіть нашу галактику. Залишилося тільки одне, що потрібно зрозуміти таким символічним чином — це космос як ціле.

Desi-конгломерат з 500 000 частин, що рухаються узгоджено. 5000 оптоволоконних кабелів зібрані в трубках, які тягнуться на 12 метрів від верху телескопа до його низу. Ці тонкі як людське волосся нитки з чистого скла служать провідниками світла. У верхній частині телескопа всі 5000 ниток розгалужуються, і кожна повертається до своєї галактики. Кожні 20 хвилин команда направляє телескоп на нову ділянку неба, і як кожен з 5000 кабелів звертає свій погляд на іншу галактику. Кожному роботу потрібно всього кілька секунд, щоб повернутися до нового об’єкту. В середньому команда розраховує за ніч збирати світло від 150 000 різних галактик, і навряд чи вдасться подивитися на одну і ту ж галактику двічі.

Це може здатися дивним, але найскладнішим для desi буде не відобразити на карті майже 40 мільйонів галактик за п’ять років, а впоратися з п’ятьма тисячами мініатюрних роботів, які переміщують кожну окрему скляну пасмо всередині телескопа. «це дуже складний інструмент”, – говорить майкл леві, директор desi. “у нього півмільйона рухомих частин”. Як складні внутрішні механізми годинника, 5000 роботів desi настільки малі, що якщо щось піде не так в момент перемикання, це може поставити під загрозу всю операцію і збір даних.

коротко про основні частини, що складають desi. / © marilyn chung / berkeley lab

П’ять тисяч очей desi п’ять років будуть дивитися в минуле, вловлюючи випромінене багато мільярдів років тому світло, щоб краще зрозуміти історію всесвіту. Зібравши ці дані, вони зможуть розшифрувати шлях світла через космічний простір. Хоча ми поки не можемо відправитися “назад в майбутнє”, у нас є телескопи, а телескопи — це ж справжні машини часу. Легко забути, що зображення, які ми бачимо в космосі, ніколи не відображають сьогодення – адже світлу знадобилися мільйони або мільярди років, щоб дістатися до землі. Коли ми вивчаємо глибокий космос, ми вивчаємо минуле і об’єкти в ньому такими, якими вони були колись, і знаємо, що з ними відбувається зараз. Про це розповідають фотони-одні з найлегших частинок у всесвіті, що несуть квант світла. Саме вони відіграють ключову роль у тому, як desi допоможе нам зрозуміти темну енергію та розширення всесвіту.

Оскільки світло йде до нас так довго, кожен фотон може розповісти свою історію про те, звідки він прийшов і де побував. Ці фотони провели мільярди і мільярди років, подорожуючи по космосу, щоб дістатися до землі, але коли вони потрапляють в дзеркало телескопа mayall, їх подорож ще не закінчено. Коли світло входить в один зі скловолоконних кабелів, він проходить по довжині телескопа через кожну окрему скляну нитку ще 12 метрів вниз і крізь білий кахельний підлогу потрапляє в кімнату, в якій знаходиться 10 однакових спектрографів. Ці інструменти розкладають світло від кожної галактики на спектр. Залежно від історії кожного окремого набору фотонів, спектр зміщений в бік або червоного, або синього світла. Вся справа в тому, що коли світло рухається, кольори в його спектрі трохи змінюються: якщо об’єкт рухається до нас, його світлова хвиля стискається і зсувається в синю частину спектра, якщо ж об’єкт віддаляється від нас, світлова хвиля розтягується і зміщується в бік червоного кольору. Після багатьох мільярдів років подорожі світло від усіх 40 мільйонів галактик завершиться в чистій кімнаті всередині купола на вершині гори в тусоні, штат арізона.

У 1929 році астроном едвін хаббл вивчав світлові спектри галактик і з’ясував, що багато з них мають червоне зміщення — тобто, вирішив хаббл, вони віддаляються від нас. Але насправді він відкрив розширення всесвіту. Ці галактики не просто неслися вдалину, роздувалася сама тканина простору-часу. Хаббл не повірив, що це свідчення розширення, і пройшло ще 70 років, перш ніж вчені усвідомили, що всесвіт не просто розширюється — вона робить це з прискоренням.

Майже за десять років до того, як хаббл взявся за телескоп, альберт ейнштейн ввів так звану космологічну постійну як частину загальної теорії відносності. Він припускав, що всесвіт-нерухома, а її щільність постійна. Коли ейнштейн дізнався про спостереження хаббла і галактиках з червоним зміщенням, він засумнівався в своїй теорії, але абсолютно марно. Хоча всесвіт не є нерухомим (ми вже знаємо, що він швидко розширюється), його щільність все ще залишається незмінною. Можна уявити це так: припустимо, ви перебуваєте у вітальні зі столом, телевізором, декількома книгами і чашкою кави. Якщо тепер кімната почне розширюватися, стаючи все більше і більше, об’єкти в ній не будуть збільшуватися в щільності, але стануть далі один від одного. Те ж саме і з нашого всесвіту.

Довгий час астрономам було непросто це прийняти, тому що у всесвіті багато матерії. І ми знаємо, що через гравітацію матерія схильна збиратися в грудку – так хіба не повинна тоді всесвіт стискатися? за останніми оцінками астрономів, у всесвіті може бути до двох трильйонів галактик, що складаються з двох типів матерії. Матерія, яку складають звичні нам речі-я, ви, ваш кіт, стіл і iphone — це лише 5% матерії у всесвіті. Темна матерія, яку ми не бачимо, становить близько 25%. Однак домінуюча сила у всесвіті, на яку припадає 70% всього сущого — це темна енергія. Разом, дев’яностоП’ять відсотків всесвіту складається з речей, які ми не бачимо і не розуміємо по-справжньому. На даному етапі історії буде справедливо сказати, що» нормальна ” матерією для цього всесвіту — це зовсім не ми з нашими п’ятьма відсотками.

Назва «темна енергія» народилася через незнання-ми називаємо її темною, тому що вчені просто не можуть її виявити і насправді поняття не мають, що це таке. Але є пара ідей. “найпростіше розуміння – що це і є космологічна постійна”, – говорить доктор ріса векслер, астрофізик і професор стенфордського університету. “по суті, це означатиме, що це властивість самого простору, яке постійно в усьому просторі і часі». Так вийшло, що це єдине пояснення, при якому працює теорія щільності ейнштейна. Один-нуль на користь поточної робочої моделі. Але тут криється парадокс: чим більше місця, тим більше темної енергії і тим більше розширюється всесвіт. Отже, чим більше розширюється всесвіт, тим більше залишається простору і, отже, більше темної енергії. “зараз ми знаходимося на дуже цікавому етапі космології”, – говорить векслер. «у нас є те, що по суті представляє стандартну космологічну модель протягом останніх 20 років. Поки вона ще працює, але все більше фактів вказують на те, що вона ось-ось зламається. І зараз ми не знаємо, що станеться, коли дані стануть краще: підтвердимо ми модель або виразно побачимо, що вона більше не працює».

темна енергія в поданні художника. / © maxwell hamilton / flickr

Дані дослідження, яке проводить desi, можуть показати, що нинішнє розуміння всесвіту невірно — і це вже не в перший раз. Принаймні, ми знаємо, що темна енергія – це не частинка, на відміну від темної матерії. Деякі вчені думають, що це може бути інший вимір, що просочується в нашу всесвіт. Але найімовірніше, це може бути сам простір. Це означало б, що космос ніколи не був порожнім, просто ми не бачили, з чого він складається насправді. Але що ж означає “сам простір”? ніхто не знає.

З огляду на те, наскільки недавно ми на землі, ми досить багато дізналися про космос. Ми знаємо, що землі близько 4 мільярдів років, ми знаємо, що 13,8 мільярда років тому не було нічого, а потім з’явилося все. Ми абсолютно нічого не знаємо про першу десятимільйонної трильйонної трильйонної трильйонної секунди після великого вибуху, але після цього у нас є точна шкала всіх подій, з початку і до нинішнього моменту. Незабаром після того, як всесвіт виникла, вона надулася, як повітряна куля, і дуже швидко рознесла матерію по всьому світу. Але це роздування швидко закінчилося, і всесвіт продовжувала розширюватися, але не прискорюватися. Поки все в порядку: формуються зірки, вони об’єднуються в галактики, а потім галактики зливаються разом і утворюють скупчення галактик, народжуються об’єкти тієї версії всесвіту, яку ми знаємо. Тут-то і починається найцікавіше.

Вся ця матерія притягувалася один до одного під дією гравітації, як і слід було від неї очікувати. Через тяжіння всієї цієї матерії розширення всесвіту сповільнилося. Але потім, близько семи мільярдів років тому, розширення всесвіту раптово стало прискорюватися, і з тих пір тільки посилювалося. Десь між одинадцятьма і сімома мільярдами років тому в гру вступила темна енергія і почала диктувати свої правила. Щоб зрозуміти, наскільки швидко відбувається це розширення: наша всесвіт виникла 13,8 мільярда років тому, без темної енергії і розширення діаметр всесвіту тоді був би 13,8 мільярда світлових років в ширину, але через темної енергії спостережувана всесвіт зараз становить 91,32 мільярда світлових років в поперечнику.

Вчені по всьому світу, включаючи команду desi, відчайдушно намагаються зрозуміти, як і чому стався цей зсув. Звідки взялася темна енергія? все, що ми знаємо зараз, полягає в тому, що темна енергія перемагає.

Завдання на сьогодні-налагодити балансування телескопа, яку збили важкі кабелі desi. Я стояла з девідом спрейберрі, моїм провідником і місцевим менеджером проекту, поки його команда пристібалася ременями безпеки для підйому на висоту 18 поверхів. Чоловіки віку мого батька надягали щось, що нагадує екіпіровку людини, яка вирішила піднятися на емпайр-стейт-білдінг по зовнішній стіні. Деякі з цих техніків працюють над телескопом з того моменту, як він був побудований більше 40 років тому, і бачили, як він використовується в різних наукових цілях, в тому числі в проекті desi. Вони балакають про свої плани на вихідні, про те, хто запускає ліфт — – і так, чи всі прив’язані? не хотілося б сьогодні померти! отже, вони піднімаються.

телескоп mayall зсередини. / © dark energy spectroscopic instrument [desi]

Щоб врівноважити телескоп, робітники тягнуть з собою підноси зі свинцевими вантажами розміром з конверт. Вони закріплюють кожен вантаж, потім перевіряють балансування, потім додають вагу і знову перевіряють. Залишилося всього кілька тижнів до збору того, що астрономи називають «першим світлом». Першим щасливим об’єктом пильної уваги desi стане спіральна галактика під назвою трикутник на відстані 2,7 мільйона світлових років від нас. Ця конкретна галактика так багато вивчалася протягом багатьох років, що її спектри дуже добре відомі, що робить її свого роду галактичним калібратором.

Перш ніж команда приступила до проблеми з балансуванням, ми спустилися по тонкій металевій драбині в центр телескопа прямо під дзеркалом. Дзеркало mayall в два рази більше, ніж у космічного телескопа хаббла, і, можливо, він трохи старовинний, але це серйозний телескоп. І це добре, тому що йому належить серйозна робота.

Написи на карті imago mundi описують деякі основні особливості — де сходить сонце, де знаходяться гори. Але є лінія, яка описує чотири квадранта карти як «чотири квадранта всього всесвіту». Факт, про який вони тоді не могли знати, як і раніше залишається вірним: межа всесвіту обмежена тим, що ми можемо бачити.

Нарешті, останній абзац тексту на imago mundi — це пронизливий кінець: “у всіх восьми “регіонах” чотирьох берегів (кібраті) землі, їх нутрощі ніхто не знає”. Стародавні вавилоняни були обмежені в своїх знаннях про те, що існувало за горами на сході — але вони точно знали, що підземний світ знаходиться в одному напрямку, а в іншій стороні живуть вороги. Вавилоняни багато чого не знали, і, хоча наші знання росли в геометричній прогресії, ми багато в чому все ще в тому ж положенні: дивимося вгору і в сторону і гадаємо, що лежить за межами нас.

Завдання desi може здатися трохи абсурдним-створювати карту всесвіту, яка постійно змінюється, розширюючись. Є щось вражаюче і трохи іронічне у створенні карти кордону, яка постійно тікає від нас, як якщо б ви намагалися нанести на карту піщинки на пляжі, поки триває приплив. “край” нашого всесвіту буде віддалятися, поки все не зникне. Але ця карта всесвіту більше про наше минуле, ніж про майбутнє. Адже щоб знати, куди ми йдемо, спочатку потрібно з’ясувати, де ми вже були.

Директор проекту desi майкл леві порівнює його з космічною мрт. «це трохи схоже на медицину, коли вони перейшли з рентгенівських променів, які давали двомірне зображення, на мрт, за допомогою якої можна було робити тривимірні зрізи тіла». Desi робить приблизно те ж саме, але для космосу: “тепер у нас будуть тимчасові зрізи всесвіту, що описують об’єкти на рівній відстані від землі».

телескоп mayall зовні. / © dark energy spectroscopic instrument [desi]

Збираючи дані і розділяючи світло на періоди часу, вченим зможуть реконструювати історію всесвіту. Зрештою, як тільки дослідження буде завершено, ми зможемо дослідити глибокий астрономічний час так само, як геологи використовували скам’янілості та мінерали, щоб розповісти історію землі. Такі інструменти, як desi, дозволяють нам порушити закони фізики: озираючись назад у часі, ми можемо зробити висновки про те, що станеться в майбутньому, аж до кінця всесвіту.

Ми визначаємо себе через своє положення в просторі. У випадку з космосом шкала часу виходить далеко за рамки нашого дуже короткого життя або навіть за межі нашої уяви. Відповіді на деякі питання про наш всесвіт ми не знайдемо-вони залишаться на розсуд майбутніх поколінь, і правда в тому, що на деякі з них люди взагалі ніколи не зможуть відповісти. Але тоді навіщо це все? чому так важливо, коли і як виникла всесвіт? чому нас так хвилює, коли і чим це закінчиться? тому що протягом усього нашого життя місце розташування визначає нашу ідентичність. Одне з перших питань, яке ми вчимося задавати іншою мовою, це ” звідки ви?”знати, де ми знаходимося в будь-який момент часу, значить мати систему відліку, в якій можна якимось чином виміряти своє життя.

Перед від’їздом ми зупинилися в головному офісі, де люди забирають ключі від своїх гуртожитків. Багато з них спалиВдень, як це часто роблять астрономи. На стіні-тридцятирічна коркова дошка, на якій закріплені вицвілі на сонці вирізки з газет, так чи інакше відносяться до астрономії. У самому низу-чорно-білий малюнок з рваними пошарпаними краями, на якому мультяшний персонаж дивиться в телескоп, і підпис: “я читав, що всесвіт тікає від землі зі швидкістю більше 15 000 миль в секунду! напевно, вона знає щось таке, чого не знаємо ми».

Я попрощалася з телескопом і командою desi близько 16:00, і коли я їхала, хмари розсіялися, став видно весь кітт-пік. На кожному хребті тіснилися групи телескопів, кожен з них шукав відповідь на своє питання, спрямувавши погляд високо вгору. Я побачила дороги, що петляють через долину внизу – я нарешті бачила і точно розуміла місце, де я була.

Одного разу, через трильйони трильйарів років після нашої смерті, всесвіт теж загине. Як і ми, кожну секунду вона рухається до своєї смерті. Вона розшириться настільки сильно, що сама матерія почне «рватися» і поступово остигати, поки вся не досягне однакової температури. Це одна з найпопулярніших версій-теорія теплової смерті всесвіту, або велике замерзання. З часом вмирають зірки, галактики та їх сонячні системи — все, що ми коли-небудь знали, поглинуть чорні діри — останнє, що залишиться у всесвіті. Зрештою речовина всередині цих чорних дір теж випарується, поки не залишиться зовсім нічого. Це вражає навіть сильніше, ніж «блідо-блакитна точка» сагана: все, що ми коли-небудь знали, зникне, кожна людина, коли-небудь народжена і померла, кожна людина, яку ми коли-небудь любили, кожен твір мистецтва, кожна книга, кожна планета, кожна галактика, кожна зірка, кожен атом, який коли-небудь був створений, перестануть існувати.

Ми живемо на досить пересічній кам’янистій планеті в одній з трильйонів сонячних систем. Наша планета обертається навколо нічим не примітної зірки, яка знаходиться в рукаві оріона галактики чумацький шлях в сверхскоплении діви в стародавній всесвіту, яка постійно розширюється. Де ми? відповідь постійно змінюється.