Небесна демократія

З давнини і до недавнього часу астрономія була досить аристократичною наукою.

У США в середині 1980-х було з десяток великих телескопів — переважно в університетських обсерваторіях. Основні спостереження вели штатні співробітники, які зберігали фотознімки в особистих архівах, обробляли їх на власний розсуд і не були зобов’язані ділитися отриманими даними до їх публікації.

Інші астрономи могли працювати на телескопах двох національних обсерваторій — в Арізоні і Нью-Мексико. Однак час спостережень там розподілявся заздалегідь, і навіть вчені з ім’ям могли розраховувати максимум на десяток сеансів на рік. Оскільки ці обсерваторії фінансувалися з громадських коштів, фотоплівки і платівки надходили у відкриті архіви, але з досить значною затримкою в рік-півтора. Дані з космічних обсерваторій теж підлягали загальнодоступному архівуванню, проте оптичних орбітальних телескопів у NASA в той час ще не було зовсім, а космічна інфрачервона астрономія перебувала в немовляті (перший інфрачервоний телескоп IRAS був запущений тільки на початку 1986 року і пропрацював всього дев’ять місяців). У радіоастрономів і дослідників космічних джерел гамма-променів і рентгена справи з кооперацією йшли трохи краще, але і там були свої професіонали-монополісти.

Провісник демократії

Але демократизація астрономії була не за горами. На неї працювали багато факторів — наприклад, виникнення великих інтернаціональних дослідницьких консорціумів і поширення мережевих комунікацій. Але першим кроком на цьому шляху виявилася пропозиція, висловлена в лютому 1987 року. Національна обсерваторія Кітт-Пік тоді зібрала триденну астрономічну конференцію для обговорення можливостей використання щойно отриманого великого телескопічного дзеркала. Серед запрошених був відомий астроном і астрофізик Джеймс Едвард Ганн, професор Прінстонського університету, який тоді займався розробкою астрономічних фотокамер на ПЗС-матрицах. Ганн запропонував оснастити телескоп з новим дзеркалом камерою і спектрографом з ПЗС максимально високої роздільної здатності, щоб його можна було використовувати для автоматичного сканування великих ділянок небосводу з метою збору інформації про мільйони ближніх і далеких галактик. Ганн прикинув, що ця установка зможе за п’ять років накопичити такий обсяг спектроскопічних даних, який при зборі звичайними методами розтягнувся б на кілька тисячоліть. Він також запропонував зберігати оцифровану інформацію в загальнодоступному електронному архіві.

Западіна Ганна-Петерсона

Слоанівський пошук квазарів з великими червоними зміщеннями дозволив 2001 року вперше спостерігати астрофізичний ефект, передбачений 1965 року Ганном і Брюсом Петерсоном (тоді ще аспірантами). Вони зрозуміли, що випромінювання найдавніших світил, яке дійшло до Землі, не повинно містити фотонів з довжиною хвилі в певному інтервалі. Цей спектральний «провал» (його називають западиною Ганна-Петерсона) пояснюється тим, що при проходженні через космічні хмари нейтрального водню ультрафіолетові фотони перших зірок і квазарів поглиналися і розсіювалися.

На графіках показані спектри різних квазарів з червоним зміщенням близько 6. Довгий «провал» зліва від піку (лінії поглинання Лайман-альфа) і є ілюстрація ефекту Ганна-Петерсона. Зображення: «Популярна механіка»

Пізніше це загасання припинилося, оскільки практично весь водень був іонізований і перетворився на плазму. Тому западина Ганна-Петерсона спостерігається лише у спектрах космічних об’єктів з червоним зміщенням вище 6, причому завдяки розширенню Всесвіту вона з УФ-області змістилася в інфрачервону.

Оригінальність проекту Ганна полягала аж ніяк не в його масштабах. Астрономи переглядали великі ділянки небосводу і складали переліки своїх знахідок з XVIII століття. У 1950-ті роки астрономи Каліфорнійського технологічного інституту десять років знімали північний небосвід фотокамерою 120-сантиметрового телескопа обсерваторії Маунт Паломар і отримали 4000 знімків. Однак звичайні фотографії не піддавалися автоматичній обробці і не забезпечували стандартизованої оцінки параметрів небесних об’єктів. Цифрові камери і спектроскопи в поєднанні з комп’ютерним аналізом давали можливість подолати ці перешкоди, значно підвищити якість вимірювань і зібрати багатющі колекції уніфікованої астрономічної інформації, відкаліброваної за єдиними шаблонами. Використання цих приладів також обіцяло багаторазовий виграш як вимірювання. Адже напівпровідникові матриці реєструють не менше 70% фотонів і забезпечують визначення яскравості з точністю 0,5%, а навіть кращі астрономічні фотопластинки, якими користувалися астрономи в кінці минулого століття, «втрачали» близько 99% світлових квантів і дозволяли оцінити яскравість з похибкою не менше 10%.

Учасники зустрічі визнали пропозицію Ганна цілком здійсненною, схвалили і… негайно забули. Сам Ганн повернувся до роботи над цифровою камерою для космічного телескопа «Хаббл» і дослідження квазарів. Ідея була хороша, але для втілення в життя їй належало знайти активних прихильників.

Втілити в життя

У вересні та грудні 1988 року півтора десятка астрономів двічі зустрічалися для обговорення конкретного плану дій на підтримку проекту Ганна. Вони прийшли до висновку, що телескопу цілком достатньо 250-сантиметрового дзеркала і найкращий порт приписки для нього — обсерваторія Апачі-Пойнт в штаті Нью-Мексико, розташована на піку Сакраменто на висоті майже 3 км. Річний бюджет проекту було оцінено в $12 млн.

Однак знайти гроші і спонсорів виявилося непросто. Першу частину фінансування проект отримав навесні 1990 року, коли президенти Прінстонського і Чиказького університетів та Інституту фундаментальних досліджень виділили йому по $350 000. У листопаді до них приєдналася Національна прискорювальна лабораторія Fermilab, яка пообіцяла 5 млн і доступ до комп’ютерних і програмних ресурсів. Так сформувався консорціум первинних учасників проекту, який з часом значно розширився. Наступного літа багатий благодійний фонд, заснований 1934 року президентом корпорації General Motors Альфредом Слоаном, посулив ще 8 млн за умови, що бюджетна перевитрата, якщо така трапиться, буде відшкодована університетами. Ця застереження була аж ніяк не зайвою, оскільки оціночна вартість проекту до того часу підскочила до $25 млн. Тоді ж проект отримав ім’я — Sloan Digital Sky Survey, SDSS (Слоанівський цифровий огляд небосводу). Згідно з планами, він мав просканувати 10 000 квадратних кутових градусів північного неба (більше чверті його загальної площі) і визначити червоні зміщення мільйона галактик.

Карта розподілу галактик, отримана за результатами огляду Sloan Digital Sky Survey (SDSS-II)

Земля знаходиться у вершині, а найбільш віддалені галактики на краю розташовані на відстані 1,3 млрд. світлових років від нас. Червоними точками позначені галактики, населені старими зірками, синіми точками — населені молодими зірками. Галактики згруповані у скупчення різної форми, між якими знаходяться порожні простори — війди. Нові дослідження показують, що ці війди не містять ні звичайної, ні темної матерії, а їх розмір і форма узгоджуються з теоретичними моделями еволюції з рівномірного розподілу темної матерії під дією гравітації в молодому Всесвіті. Зображення: «Популярна механіка»

Проект потроху почав працювати, і в 1994 році в ньому було задіяно півсотні астрономів і астрофізиків, серед яких з’явилися перші іноземні учасники — вчені з Японії. Сам Ганн очолив проектування унікальної 120-мегапіксельної цифрової фотокамери, для якої замовили 30 новітніх 4-мегапіксельних ПЗС. Вони працювали при -100 ° С, так що камеру довелося оснастити кріогенним комплексом. Кожен ПЗС отримав власний набір з п’яти оптичних фільтрів для різних довжин хвиль від ІК до СФ. Зневаджування камери завершилося до Різдва 1997 року. На монтаж і юстування телескопа пішло ще чотири місяці, і в ніч з 9 на 10 травня 1998 року він побачив перше світло і зміг приступити до пробного огляду небосвода. Реальні спостереження почалися в червні. Проект тоді вже мав власний сайт в інтернеті, який швидко здобув популярність (наступного дня після доповіді на сесії Американського астрономічного товариства про перші результати там було зареєстровано 140 000 відвідувань!).

Однак справжнє сканування небосводу почалося набагато пізніше. До кінця 1998 року телескоп в основному працював на пошук наддалеких квазарів, який вели паралельно з налагодженням фотокамери. До грудня вчені відловили 13 квазарів, які світили, коли вік Всесвіту становив від одного до двох мільярдів років. Налаштування систем телескопа тривало і протягом 1999 року, коли на ньому монтували два спектрографи. Проблеми виникали буквально одна за одною. Найнесподіваніший сюрприз доля-лиходійка піднесла 19 жовтня: в ході рутинного огляду інженери виявили тріщину у допоміжному дзеркалі. Ця аварія могла стати фатальною, але, на щастя, з нею впоралися всього за три місяці. У Слоановському фонді вже подумували припинити фінансування проекту, але все-таки вважали за краще виділити на нього ще 10 млн. Ця субсидія дозволила довести до розуму і телескоп, і всю його апаратуру і приступити до систематичного сканування небосводу.

Нанесені на «карту небес» області космосу за даними проектів SDSS I, II, III.

SDSS покриває приблизно третину небосводу, в основному в напрямку галактичних полюсів, над і під площиною диска нашої Галактики. Смуги в напрямку площини диска — це області даних проекту SEGUE. Кожна помаранчева точка — галактика. Карта містить понад 1 трлн пікселів. Зображення: «Популярна механіка»

Продуктивність слоанівського телескопа вражає навіть сьогодні. Його камера «за один присест» фотографує півтора квадратних градуса небосводу (у вісім разів більше площі повного Місяця). Спектрографи, які отримують сигнали за оптоволоконними кабелями, здатні одночасно визначити спектри більш ніж 600 квазарів, зірок і галактик. У зимові місяці при чистому небосводі за один довгий нічний сеанс вдається виміряти спектри майже 6000 об’єктів.

Телескоп на вахті

Офіційно Слоановський огляд почався в 2000 році і відразу ж вийшов за рамки збору даних для галактичної і позагалактичної астрономії і космології. Так, члени колаборації виявили понад 10 000 невідомих раніше астероїдів і з’ясували їх склад. Ще одна група астрономів зайнялася пошуком найхолодніших зірок і до 2005 року відкрила близько 70 коричневих карликів. За цей же час учасники проекту знайшли майже 80 000 квазарів, причому пара десятків з них спалахнула протягом першого мільярда років існування Всесвіту.

46 000 квазарів з третього релізу SDSS

B рамках SDSS були також проміряні спектри більш ніж мільйона різних астрономічних джерел. На цій діаграмі зібрано спектри понад 46 000 різних квазарів з третього релізу SDSS. Кожен спектр — це горизонтальна лінія з модуляцією за яскравістю, з найближчими квазарами внизу і далекими вгорі. Світлі лінії — емісійні лінії іонів водню, вуглецю, кисню, магнію і заліза, що зміщуються по частоті у більш далеких квазарів за рахунок розширення Всесвіту. Зображення: «Популярна механіка»

Перший, поки ще не занумерований звіт про результати огляду був оприлюднений у червні 2001 року. Він містив відомості про 14 млн космічних об’єктів і 50 000 спектрів. Вони були викладені на інтернет-сайті SkyServer, який протягом наступних чотирьох місяців переглянули півтора мільйона разів. Надалі обсяг слоанівської інформації неухильно зростав. У звіті № 1 (Data Release 1) від 11 червня 2003 року з’явилися відомості про 53 млн об’єктів і 186 250 спектрів; звіт № 7 від 31 жовтня 2008 року представляв 1 640 960 спектрів і 357 млн космічних об’єктів, у тому числі 929 555 галактик, 121 373 квазари і 464 261зірку.

Паралельно обсягу накопичених даних зростала і кількість відвідувань інтернетного архіву. Навесні 2003 року воно сягнуло 10 млн, трьома роками пізніше перевалило за 200 млн, а до 2010 року перевищило 700 млн.

Підбиваючи підсумки

«Спостереження за проектом SEGUE-2 велися в 2008-2009 роках, так що вся зібрана інформація вже архівована у звіті Data Release 8, який був викладений в мережі в січні 2011 року. Вона служить найціннішим джерелом відомостей про хімічний склад світил, що належать периферії нашої Галактики, на основі яких можна з більшою надійністю реконструювати її історію, — пояснює «ПМ» професор Гарвардського університету Деніел Айзенстайн, який очолює SDSS-III. — Для проекту APOGEE телескоп у квітні 2011 року оснастили новим інфрачервоним спектрографом та роздільної здатності. Інші два проекти почалися разом з третьою стадією слоанівського огляду і триватимуть до її закінчення «.

Професор Айзенстайн підкреслив, що в рамках програми BOSS, перші результати якої були опубліковані в травні 2011 року, виявлені великомасштабні згущення міжгалактичного водню протяжністю більше сотні мільйонів світлових років. Відповідно до ефекту Ганна-Петерсона вони частково поглинають випромінювання далеких квазарів і тому стають доступні для реєстрації. Ці дані надзвичайно важливі для відтворення ранньої історії Всесвіту. Вони дозволяють уточнити спектральні характеристики звукових хвиль, що поширювалися в гарячій плазмі і фотонному газі, які заповнювали космічний простір у перші тисячоліття після Великого вибуху.

Аналіз спостережень, що проводяться відповідно до проекту MARVELS, дозволив локалізувати коричневий карлик з масою в 28 мас Юпітера. Він звертається навколо зірки TYC 1240-00945-1, маса якої становить 1,4 сонячної. Цей карлик відстоїть від свого світила на десять з половиною мільйонів кілометрів (сім сотих астрономічної одиниці) і здійснює повний обіг по орбіті швидше, ніж за шість земних діб. Зазвичай коричневі карлики в подвійних системах із зірками сонячного типу не підходять до них ближче, ніж на 5 а. е., так що це відкриття представляє великий інтерес.

«За 11 років слоанівський огляд приніс значно більше інформації, ніж очікували батьки-засновники, — говорить професор Айзенстайн. — І безсумнівно, що він ще багато в чому збагатить астрономію, астрофізику і космологію».

Дані з слоанівського телескопа лягли в основу великого безлічі наукових статей з досить високим індексом цитованості. Наприкінці осені 2009 року їх було понад 2700, а посилань на ці публікації виявилося близько 100 000. Приблизно третина цих робіт належить учасникам колаборації, інше — іншим вченим. Даними огляду в тому чи іншому вигляді оперують не менше 20% астрономів різних країн, а можливо, що більше. Ними користуються і любителі астрономії по всьому світу. Відомі портали Google Sky і Galaxy Zoo теж використовують дані Слоанівського огляду. Він послужив пробною кулею і каталізатором цілої низки пізніх проектів. На початку 2000-х років було запущено кілька оглядів небосводу в неоптичних діапазонах, результати яких також загальнодоступні: наприклад, 2MASS (ІК), GALEX (СФ), космічний гамма-телескоп Fermi. Так що задумане Джеймсом Ганном підприємство і справді стало справжнім демократизатором науки про Всесвіт.

Що далі

Засновники колаборації планували просканувати 10 000 квадратних кутових градусів північного небосводу. Вже за перші п’ять років були отримані знімки понад 8000 градусів, а також спектри галактик, зірок і квазарів, розкиданих більш ніж по 70% цієї ділянки неба. Успіх проекту був настільки очевидний, що його фінансування продовжили без особливих проблем.

У липні 2005 року інститути-учасники, число яких досягло 25, приступили до нової серії вимірювань SDSS-II, розділеної на три проекти. The Sloan Legacy Survey продовжив початкову програму вивчення далеких областей космосу. Проект SEGUE (Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration) ставив за мету збір даних про нашу Галактику. Під час його здійснення астрономи просканували 3500 квадратних кутових градусів Чумацького Шляху і отримали спектри 240 000 зірок. У рамках третього проекту The Sloan Supernova Survey телескоп зазирнув за примикаючий до площини небесного екватора край південного небосводу і зареєстрував без малого 500 наднових зірок.

У 2008 році слоанівська колаборація приступила до серії спостережень SDSS-III, розписаної до 2014 року. Вона включає чотири проекти: BOSS — картування яскравих червоних галактик і квазарів і спектральний аналіз їх випромінювання, MARVELS — дослідження 11000 зірок на предмет пошуку їхніх супутників, планет і коричневих карликів, SEGUE-2 — вимірювання спектральних характеристик галактичного гало (майже 120 000 зірок периферійної зони нашої Галактики), і APOGEE — промер інфрачервоних спектрів сотні тисяч червоних гігантів у різних областях Галактики від балджа до гало.