Действительно ли Вселенная расширяется? Анализ спектра квазара после 2-миллиардного путешествия света

Меня неизменно поражает динамичность нашей Земли: небесные облака мгновенно меняют свои очертания, а крошечные птенцы спустя всего пару недель покидают родное гнездо, превращаясь во взрослых птиц. Процессы идут настолько стремительно, что подсознательно ждешь подобной переменчивости и от космоса. Однако реальность иная. Изучая спектр какой-нибудь звезды и вновь находя водородные линии на их привычных местах, я искренне удивляюсь: неужели на столь долгом пути свет не встречает никаких преград и космическое пространство действительно настолько безмолвно и пусто?

К примеру, лучам от Бетельгейзе требуется около шести столетий, чтобы дойти до нас, но в любой день спектральный анализ покажет абсолютную стабильность полос. А что если взять космический объект, удаленный на миллиарды световых лет? Астрофизики поясняют: на таких колоссальных дистанциях из-за глобального расширения пространства длина световой волны значительно растягивается, смещая линии в длинноволновую, красную область спектра.

Мне захотелось лично протестировать этот феномен. К чему привел этот эксперимент, я подробно опишу далее, но сразу отмечу: полученный результат меня впечатлил. А начну с любопытного экскурса в прошлое.

Часть 1 — Голубое смещение

Поздним вечером 17 сентября 1912 года тридцатишестилетний сотрудник обсерватории Лоуэлла в Аризоне Весто Слайфер закрепил стеклянную фотопластинку в спектрографе двадцатичетырехдюймового телескопа. Направив прибор на ядро туманности Андромеды и открыв затвор, он запустил экспозицию, которая продлилась почти семь часов.

Фотоматериалы той эпохи представляли собой стеклянную основу, покрытую эмульсией с микрокристаллами светочувствительных серебряных солей. Пока заслонка оставалась открытой, каждый пойманный фотон постепенно видоизменял структуру эмульсии, позволяя аккумулировать слабый спектральный рисунок.

По завершении выдержки пластинку извлекали и в полной темноте обрабатывали химикатами — практически так же, как обыкновенную фотопленку. В результате на стекле проявлялся тончайший спектральный след. Детально изучить его и зафиксировать точное положение линий удавалось лишь под микроскопом. Слайфер помещал пластинку в измерительный компаратор и часами сопоставлял полученные показатели с эталонными лабораторными значениями линий поглощения и излучения.

Именно так он обнаружил, что спектральные линии Андромеды смещены в сторону коротких волн (синего спектрального диапазона). Это означало сжатие световой волны и, следовательно, непрерывное движение самого источника.

Если разделить зафиксированную длину волны на эталонную лабораторную и вычесть из частного единицу, мы найдем коэффициент сдвига. Дальнейшие вычисления просты: умножив скорость света на этот коэффициент, мы получаем лучевую скорость — показатель того, насколько быстро исследуемый объект приближается к нам или удаляется вдоль луча зрения.

Выполнив эти расчеты, Слайфер получил значение около -300 км/с, где отрицательный знак недвусмысленно свидетельствовал: Андромеда движется навстречу Земле.

Это открытие произвело эффект разорвавшейся бомбы. Оно дало толчок целой череде прорывов, сформировавших фундамент современной космологии, включая концепцию ускоренного расширения Вселенной.

Часть 2 — Красное смещение

Спустя 114 лет, 15 августа 2026 года, я направила компактный любительский телескоп, укомплектованный спектрографом, на далекую галактику, в сердце которой сияет знаменитый квазар 3C 273. Выбор был осознанным: мощнейшее излучение этого объекта содержит фотоны, рожденные в результате квантовых переходов атомов водорода, которые оставляют четкие эмиссионные линии.

Мне хотелось воспроизвести опыт Слайфера на новом технологическом уровне — заменив стеклянные пластинки современным цифровым детектором. Теперь спектральные данные фиксируются в стандартных астрономических FITS-файлах. После автоматической обработки через специально написанный скрипт на Python уже спустя несколько минут на экране появляется откалиброванный спектр с отчетливыми эмиссионными линиями водорода, сдвинутыми в красную зону — тем самым знаменитым redshift, подтверждающим расширение Вселенной.

Ниже представлен построенный мной график, наглядно демонстрирующий этот сдвиг водородных линий в спектре квазара 3C 273:

Красными треугольниками отмечены локальные экстремумы, автоматически выделенные программой после сглаживания кривой.

Две синие стрелки добавлены мной вручную для наглядности: они указывают на водородные пики H-гамма (на отметке 502.4 нм) и H-бета (на отметке 563.5 нм).

Сводная таблица лабораторных параметров, наблюдений и вычисленных коэффициентов выглядит следующим образом:

Линия водорода	Эталонная длина волны, нм	Зафиксированная 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

Итоговое среднее значение коэффициента красного смещения по моим данным составило 0.158.

Сказать, что я была удивлена — значит не сказать ничего. Я испытала подлинный шок, ведь мой показатель совпал с официальным академическим значением 0.158 (полученным на мощнейших профессиональных комплексах для 3С 273) вплоть до третьего знака после запятой!

Но почему этот результат вызвал у меня такое изумление?

Я — любитель астрономии со стажем чуть больше года, а в моем распоряжении через удаленный доступ находится скромный 80-миллиметровый рефрактор StellaMira, оснащенный бесщелевым спектрографом Star Analyser 100. Особенность бесщелевой схемы в том, что в поле зрения разлагается в спектр абсолютно всё: звезды, фоновые галактики, случайные кометы. Если в кадре помимо цели присутствуют посторонние тела, приходится кропотливо вычленять нужный объект и его референсную опорную звезду по координатам, анализируя спектры сначала визуально, а затем через собственный Python-пайплайн (о создании которого я рассказывала ранее).

Сессия проводилась в августе 2026 года, когда квазар едва поднимался над линией горизонта северного полушария, а следующая возможность наблюдений открывалась лишь через несколько месяцев. Ждать не хотелось, и я решила рискнуть. В итоге удалось собрать лишь 4 кадра с выдержкой по 50 секунд при высоте объекта над горизонтом всего 16 градусов.

У меня сохранился архивный кадр той рабочей сессии:

Только представьте, какой плотный слой земной атмосферы преодолели хрупкие фотоны, преодолевшие перед этим два миллиарда световых лет! Кстати, последствия прохождения плотных воздушных масс заметны на графике: в правой части на отметке 837 нм зияет глубокий провал — это следствие поглощения излучения водяным паром нашей атмосферы.

Именно поэтому затея казалась мне бесперспективной. Увидев водородные пики на положенных местах, я просто не поверила глазам — лишь строгая сходимость коэффициентов по обеим линиям убедила меня в достоверности результата.

Далее я применила формулу эффекта Доплера, которой пользовался Слайфер, умножив скорость света на полученный показатель:

300 000 км/с * 0.158 = 47 400 км/с

Означает ли это, что галактика-хозяйка квазара несется сквозь пространство со скоростью 47 тысяч километров в секунду? Представить такое сложно, да и физически это неверно. Происходит нечто грандиознее: расширяется сама ткань космоса, ежесекундно увеличивая объемы пространства. Именно это глобальное растяжение удаляет нас от квазара со скоростью порядка 47 400 км/с.

А что происходит с веществом в расширяющейся Вселенной и как оно влияет на транзитный свет квазара?

Средняя плотность материи неуклонно падает, особенно в межгалактических просторах — за два миллиарда лет среда стала еще более разреженной, оставив фотонам минимум шансов на столкновения с веществом.

Правда, лучам пришлось пересечь как минимум две галактики — собственную и наш Млечный Путь. Там плотность среды выше, что теоретически могло бы создавать помехи, однако эти взаимодействия настолько ничтожны, что практически не искажают спектральную картину.

Главным фактором остается именно космологическое расширение, растягивающее волны. Поток излучения зарождается возле активно питающейся сверхмассивной черной дыры: колоссальная энергия аккреционного диска возбуждает окружающий водород, порождая мощные эмиссионные линии. За два миллиарда лет путешествия эти длины волн увеличились, сместив весь спектральный узор. И когда фотоны достигли земных приборов, их спектр четко продемонстрировал пики водорода на тех позициях, которые предсказано теорией красного смещения.

Каждый раз, фиксируя подобную математическую гармонию в древнем свете, пойманном любительской аппаратурой, я поражаюсь безупречной точности законов мироздания.

Часть 3 — Ускоренное расширение или главная загадка Вселенной

Примерно в тот же период, когда я вела охоту на квазар, мне попалась лекция астрофизика Бориса Штерна, где прозвучал вопрос о фундаментальной загадке современной науки: почему вакуумная энергия нашей Вселенной равна нулю? Признаюсь, осмыслить это с ходу не получилось, ведь, согласно моим представлениям, космос — вовсе не пустой вакуум с нулевой энергией. Пришлось погрузиться в тему детально.

Если обобщить суть проблемы, картина выглядит следующим образом.

Базовые составляющие нашего мира хорошо изучены: фундамент составляют квантовые поля, реальные возбуждения которых порождают излучение (фотоны), барионное вещество (звезды, планеты, галактики и мы с вами) и, предположительно, скрытую массу — темную материю.

Если мысленно откачать из кубического метра космического пространства все материальные частицы и фотоны, поля останутся в основном вакуумном состоянии. Квантовая механика наделяет этот вакуум колоссальной энергией, которая возникает при суммировании нулевых колебаний полей даже в абсолютно пустом пространстве.

Однако здесь кроется парадокс: хотя сама квантовая теория блестяще подтверждена экспериментами на ускорителях, рассчитанную гигантскую энергию вакуума до сих пор никто напрямую не зафиксировал. Иными словами, это чисто теоретический вывод, ожидаемый эффект, не подкрепленный прямыми измерениями.

С другой стороны, астрономы, сопоставляя красное смещение далеких объектов с независимыми методами измерения расстояний, выявили феномен ускоренного расширения. Применив уравнения Фридмана, ученые вычислили плотность гипотетического компонента, способного обеспечить такое ускорение (темной энергии), но уже обратным путем — на базе наблюдательной эмпирики.

Плотность этой темной энергии оказалась исчезающе мала, стремясь к нулю (около 3–4 ГэВ на кубический метр). Если отождествить ее с энергией вакуума, мы сталкиваемся с колоссальным кризисом в истории науки: колоссальным разрывом между теорией и практикой. На одной чаше весов — почти нулевая плотность, на другой — фантастическая теоретическая величина порядка 10¹²³ ГэВ на тот же кубический метр. Куда девается эта гигантская энергия — главная неразгаданная тайна физики, известная как «проблема вакуумной катастрофы».

Осознав это, я подумала: какая удача, возможно, я смогу сделать первый шаг к разгадке, зафиксировав красное смещение квазара и «обнаружив что-то нетривиальное». Ведь фотоны идут сквозь пространство, заполненное темной энергией, а значит, оставляют некий «отпечаток». Конечно, прямых столкновений у фотонов с темной энергией не происходит, но она управляет динамикой расширения, а расширение деформирует свет. Следовательно, взаимосвязь существует — вопрос лишь в том, доступна ли она для анализа по одиночному спектру.

Поиски ответов привели меня к выводу: хотя вектор рассуждений верен, для таких задач мощностей одного любительского квазара мало — необходимы массивы данных по миллионам галактик. Исследователи измеряют красные смещения и морфологию галактик разных эпох, восстанавливая эволюцию космической скорости и структуру Вселенной. Затем эти данные сверяют с моделями: постоянна ли плотность темной энергии во времени или претерпевает изменения.

Для продвижения в этих изысканиях требуется обработка гигантских массивов информации с применением алгоритмов Big Data и машинного обучения. К счастью, такие проекты уже функционируют. Яркий пример — космический телескоп «Евклид», оснащенный оптической камерой и инфракрасным спектрометром. Инфракрасный диапазон выбран неслучайно: целевые объекты удалены на десять и более миллиардов световых лет, и их спектральные линии сильно смещены именно туда. Аппарат успешно работает на орбите с 2023 года, и к ноябрю 2026 года запланирована публикация фундаментального релиза данных за первый год полноценных наблюдений. Более того, обсерватория уже обнаружила ранние квазары с невероятным коэффициентом красного смещения… только вдумайтесь… выше 7! Это означает, что данные объекты удалены от нас более чем на 13 миллиардов световых лет!

Подобные инициативы внушают оптимизм: в ближайшее десятилетие в сфере изучения темной материи и темной энергии вполне возможен настоящий научный прорыв, который кардинально изменит наши представления об ускоренном расширении космоса. Нам остается лишь следить за новостями из обсерваторий. Оставайтесь на связи, впереди самое интересное.

 

Источник