Современные обсерватории каждую ночь регистрируют каждое колебание и вспышку на небе. Чтобы понять, как космос менялся в течение более длительных периодов времени, ученые полагаются на более осязаемые технологии. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Стеклянные пластины, полученные с помощью телескопа Армаг-Дансинк-Гарвард в Блумфонтейне, Южная Африка, в 1950 и 1951 годах, были аннотированы вручную.
Введение
В начале 2007 года Рене Худек находился в корпусе D Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики, перебирая полки, заполненные шкафами от пола до потолка, которые больше напоминали огромную коллекцию пластинок, чем академический архив. В каждом бумажном конверте находилась стеклянная пластина, большинство из которых размером 8 на 10 дюймов, — историческая фотодокументация космоса, созданная до появления сложных цифровых детекторов. Худек, астрофизик из Астрономического института Чешской академии наук в Ондржейове, искал определенную схему расположения звезд, которую он запомнил, — область, в которой находится двойная система из гигантских, но компактных объектов. Там две сверхмассивные черные дыры и окружающие их аккреционные диски находятся в своего рода «танце», который в конечном итоге сольет их в одну. Худек наблюдал за этой системой, известной как OJ 287, когда она вспыхнула яркостью.
Архивные исследования Худека увенчались успехом: он обнаружил пару черных дыр на более чем 2000 стеклянных пластинах. Самая ранняя пластина с пригодными для использования данными датируется 1896 годом. С помощью увеличительного стекла он изучал каждую пластину, чтобы оценить светимость системы по сравнению с другими звездами в поле зрения. Астрономы знали о вспышке 1913 года и более поздних событиях, но Худек в итоге обнаружил множество вспышек, неизвестных астрономии, включая крупную вспышку 1900 года.
Благодаря этим новым — точнее, старым — данным Худек и его коллеги смогли лучше смоделировать систему и начать понимать физические процессы, приводящие к вспышкам. «Открытия и точное время исторических вспышек, — сказал он, — помогают «настроить параметры модели». Одна из черных дыр значительно массивнее другой. Когда менее массивная черная дыра проходит через аккреционный диск другой, она создает фейерверк, который совпадает с историческими вспышками, которые он наблюдал.
OJ 287 и другие активные черные дыры — это лишь один из типов небесных объектов или систем, яркость которых меняется со временем. Но Вселенная полна объектов, которые периодически колеблются или быстро появляются, а затем исчезают. Ночное небо, несмотря на свою кажущуюся стабильность, мерцает и искрится. Фактически, «каждый астрофизический объект можно рассматривать как переходный или переменный объект в разных временных масштабах», — сказала Розария Бонито, астрофизик из Палермской астрономической обсерватории Национального института астрофизики в Италии. Любая попытка понять то, что мы видим в космосе, основана на знании того, как он меняется ночь за ночью.
Стеклянные пластины, полученные с помощью телескопа Брюса в Гарварде, снабжены аннотациями, пометками и наклейками разных цветов, указывающими на различные типы изображений, вид пластины и интересующие нас пластины. На пластине слева представлены аннотации первого куратора астрономических фотографий Уильямины Флеминг, а на пластине справа изображена туманность Ориона. В коллекции фотопластинок Гарвардского университета также хранятся контактные отпечатки, сделанные со стеклянных пластин, поэтому одно и то же изображение можно было аннотировать различными способами. На них изображены Магеллановы облака. В архиве Гарвардской коллекции научных пластин хранится множество карточных каталогов и архивных материалов, которые ведут отдельные астрономы и содержат ссылки на пластины из этой коллекции. Деревянные ящики использовались для транспортировки фотопластинок из Гарварда в обсерватории, библиотеки и университеты. Представленные здесь пластинки датируются 1897 годом и изображают туманность Ориона и галактику Андромеды. В коллекцию входит собрание диапозитивов, использовавшихся для обучения в Гарвардской обсерватории. Ящики здесь маркированы по астрономическим темам: галактики, туманности, Солнце, планеты и Луна.
Представление о том, что небо над нами постоянно меняется, привело к созданию новейшей крупной астрономической обсерватории. Обсерватория имени Веры К. Рубин, расположенная высоко в чилийских Андах, в начале 2026 года начнет 10-летнее исследование, которое будет отслеживать все, что меняется и движется, чтобы раскрыть то, что астрономы называют Вселенной во временной области. Используя данные с предыдущих телескопов — как в цифровом виде, так и на стекле — проект обещает блестяще динамичное представление. Ценность телескопа Рубин заключается не только в огромном объеме данных, которые он создаст, но и в его потенциале связать сегодняшние наблюдения с более чем вековой кропотливой работой. В обширных аналоговых коллекциях, многие из которых находятся под угрозой исчезновения, скрываются неисследованные связи с сегодняшним меняющимся космосом. Объединение современного и исторического может раскрыть столетний фильм о небе над нами.
Единственная константа — это перемены.
Вдали от городов, загрязненных световым загрязнением, можно наблюдать метеоры, проносящиеся по ночному небу. Юпитер и Марс движутся быстрее далеких звезд в это же ночное время. Существует множество других изменений, которые человеческий глаз не способен заметить.
«Всё во Вселенной меняется, ничто не стоит на месте», — сказала Элизабет Гриффин, астроном из Научно-исследовательского центра астрономии и астрофизики им. Герцберга в Виктории, Канада. «Изменения могут происходить довольно быстро, довольно периодически; могут быть взрывными, могут быть внезапными; или они могут быть ужасно, ужасно медленными».
Все эти вариации составляют динамичную Вселенную, которую астрономы стремятся раскрыть. Мэтью Грэм, астроном из Калифорнийского технологического института, разделяет объекты, изучаемые с помощью астрономии временной области, на две группы: объекты, которые взрываются, и объекты, которые флуктуируют. Первые также известны как транзиенты, и они быстро меняются. К ним относятся самые крупные взрывы во Вселенной, такие как взрывы сверхновых и гамма-всплески.
Фотопластинка в Институте Нильса Бора в Копенгагене запечатлела солнечное затмение 1919 года, которое было использовано для подтверждения теории общей относительности Эйнштейна.
Вторая категория, переменные объекты, включает в себя широкий спектр одиночных звезд, в том числе цефеиды, флуктуации яркости которых позволяют определить их внутреннюю яркость (что делает их очень ценными для измерения галактических расстояний). Системы двойных звезд также относятся к этой категории, поскольку их наблюдаемая яркость меняется в зависимости от местоположения каждой звезды, от того, проходит ли одна звезда перед другой, и от того, поглощает ли одна из них вещество.
Активно аккрецирующие черные дыры в ядрах галактик также изменяются со временем, «во всех диапазонах длин волн и во всех временных масштабах», — говорит Грэм, изучающий эту изменчивость. Эти явления могут рассказать астрономам и астрофизикам о том, как физика работает в самых экстремальных условиях. Любая теоретическая модель, описывающая, как эти активные галактические ядра (АГЯ) испускают вспышки и производят другие изменения яркости, должна соответствовать фактическим наблюдениям. Вот тут-то и пригодится астрономия временной области: отслеживание изменений в течение года, десятилетия или столетия дает астрофизикам конкретные маркеры для сопоставления с моделью.
Полный спектр небесных изменений помогает установить границы теоретического понимания астрономов: взрывающиеся звезды помогают космологам измерять внегалактические расстояния, а изменения яркости звезд могут раскрыть детали эволюции звезд.
Астроном Персиваль Лоуэлл смотрит в окуляр телескопа на обсерваторию, носящую его имя, в Флагстаффе, штат Аризона. Именно там в 1930 году Клайд Томбо обнаружил Плутон на серии фотографий, сделанных в разное время.
Чтобы обнаружить эти изменения во времени, астрономы используют программное обеспечение для быстрой обработки данных, полученных с помощью современных телескопов и их мощных цифровых камер. Этот метод был предпочтительным на протяжении примерно 40 лет. Но до разработки цифровых детекторов изображений астрономы использовали аналоговую фотографию и стеклянные пластины. Чтобы обнаружить изменения в динамичном небе, человеческий глаз тщательно сравнивал изображения на пластинах, полученные в разное время. Как сбор данных, так и обнаружение небесных вариаций занимали гораздо больше времени в течение столетия аналоговой астрофотографии.
Новый взгляд в небо
Обсерватория имени Веры К. Рубин будет изучать почти всё небо, видимое с вершины Серро-Пачон в Чили, с помощью своей широкоугольной системы камер. Её цель — обнаружить миллионы новых объектов как в Солнечной системе, так и гораздо дальше за её пределами, сравнивая изображения, сделанные в разное время. Это та же самая методика, которую Клайд Томбо использовал для открытия Плутона в обсерватории Лоуэлла в Аризоне почти 100 лет назад. Томбо сделал тысячи часовых фотографий в течение нескольких месяцев и визуально изучил их, чтобы задокументировать тусклый объект на краю Солнечной системы.
С другой стороны, обсерватория Рубина может похвастаться камерой, которая является самой большой из когда-либо созданных для каких-либо целей. За одну 15-секундную экспозицию Рубин может показать объекты, более чем в 2500 раз более тусклые, чем те, что были видны в телескоп Плутона, и примерно в 40 миллионов раз более тусклые, чем те, которые можно увидеть невооруженным глазом. Ее проект Legacy Survey of Space and Time (LSST) будет покрывать небо целиком, многократно переходя от каждого поля шириной 3,5 градуса (семь полных лун рядом) к следующему. В течение следующих 10 лет она сделает около 1000 снимков южного неба в шести цветовых фильтрах, от ультрафиолетового до видимого света и инфракрасного, показывая все более тусклые объекты. Рубин покажет постоянно меняющийся космос, наполненный движущимися объектами, звездами, меняющими свою яркость, и звездными взрывами. Сравнивая вид неба до и после Рубина, Бонито сравнивает его с музыкой, «от одной ноты до аккордов».
Обсерватория имени Веры К. Рубин (вверху) вот-вот начнет 10-летнее исследование, в ходе которого будет получено 1000 снимков всего южного неба. Первые изображения, полученные с помощью ее телескопа (внизу), уже приводят к открытиям.
По оценкам команды обсерватории Рубина, после того как объемы исследований нарастят, обсерватория будет собирать 20 терабайт данных каждый вечер. Программное обеспечение автоматически сравнивает только что полученные изображения с предыдущими изображениями того же места. Если что-то изменилось, оно отправляет оповещение в течение минуты. «По сути, это небольшой пакет информации, который [показывает], когда, где и насколько изменилась светимость источника», — сказал Игорь Андреони, астрофизик из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле, сопредседатель группы по переменным звездам и транзиентам обсерватории Рубина.
Будет много оповещений; команда Рубина рассчитывает отправить более 20 миллиардов за 10 лет исследования. Получать их может любой, но никто не может рассчитывать на то, что сможет просмотреть их все. Чтобы справиться с этим потоком, исследователи пишут собственный код для сортировки оповещений. Например, Андреони ищет любые случаи, когда наблюдались изменения яркости как минимум на трех изображениях подряд, и особенно случаи растяжения и изменения звезды из-за приближения к черной дыре — событие приливного разрушения.
Обсерватория Рубина будет фиксировать эти изменения в течение часов, дней и, в конечном итоге, десятилетия. Но многие космические вариации происходят на гораздо более длительных временных промежутках, и, безусловно, в прошлые десятилетия было бесчисленное множество транзиентных явлений, которые остались незамеченными или не задокументированными в свое время. Если исследователи хотят получить доступ к астрономии временной области за пределами последних нескольких десятилетий, устаревшая технология, которую использовал Томбо, остается жизненно важной. Но для стеклянных фотопластинок нет оповещений.
Стеклянное небо
Астрономическая фотография до 1980 года выглядела совсем иначе, чем в цифровую эпоху. Такие ученые, как Томбо, фотографировали небо на прямоугольных стеклянных пластинах, покрытых с одной стороны биохимической эмульсией. Когда свет звезд проходил через телескоп, он попадал на эмульсию на пластине. После проявки пластин любые участки, где свет звезд попадал на эмульсию, становились темными. Плотность темноты соответствовала большей яркости звездного света.
Этот снимок Андромеды 1934 года, сделанный в обсерватории Оук-Ридж при Гарвардском университете, был сильно исчерчен, потому что использовался для подсчета галактик.
Чешский астрофизик Худец, посетивший более 70 коллекций тектонических плит по всему миру, подсчитал, что в мире может существовать до сих пор около 10 миллионов таких плит. Если бы все эти плиты были тщательно оцифрованы, они составили бы тысячи терабайт данных. В них хранится более чем столетие астрономических наблюдений. И хотя они разбросаны по всему миру и с ними неудобно работать, они предоставили современным исследователям более 100 открытий.
Коллекция в Гарвардско-Смитсоновском центре астрофизики — крупнейший и наиболее изученный в мире архив астрономических пластин, насчитывающий около 550 000 экземпляров. Коллекция охватывает как северное, так и южное небо, включая наблюдения с 1849 по 1992 год. Около 430 000 из них теперь доступны в цифровом виде и имеют функцию поиска благодаря 20-летнему проекту оцифровки, возглавляемому Джонатаном Гриндлеем, астрофизиком из Гарвардского университета. «Это казалось совершенно очевидным решением», — сказал он.
Проект DASCH (Digital Access to a Sky Century at Harvard) был упомянут почти в 100 научных статьях и докладах за открытия, охватывающие все области астрономии временной области. И в этом, по словам Гриндлея, заключалась суть: «получить возможность заниматься астрофизикой временной области так, как это никогда раньше не делалось».
Архив фотопластинок в обсерватории Гарвардского колледжа в 1890-х годах. Он продолжал пополняться еще в течение столетия.
Хотя большинство гравюр Гарвардского университета оцифрованы, большинство гравюр в других архивах — нет. Кроме того, некоторые астрономы, изучающие эти гравюры, предпочитают использовать физические, осязаемые объекты, чтобы убедиться в отсутствии артефактов, возникших в процессе сканирования. Различия во временной области могут быть незначительными.
Райка Юрдана-Шепич, астрофизик из Риекского университета в Хорватии, всегда начинает свои поиски с набора из 10 или более объектов из «списка желаний». В то время как некоторые астрономы, такие как Худек и Грэм, могут искать несколько конкретных активных переменных сверхмассивных черных дыр, другие, такие как Юрдана-Шепич, изучают вспышки звезд. Цель состоит в том, чтобы лучше понять физические процессы и механизмы, вызывающие изменение яркости.
В таких коллекциях, как коллекция в Астрофизической обсерватории Азиаго в Италии и в Гарварде, Юрдана-Шепич снимает с полки выбранные ею пластины. Она аккуратно извлекает их из бумажных обложек и по одной кладет на световой стол. Затем начинается самое сложное: всматриваться в микроскоп, чтобы найти нужное поле зрения шириной полдюйма среди тысяч черных точек. Обычно ей удается найти нужную область за 20 минут. Затем она начинает измерения. Для этой части она предпочитает оперу: «Пуччини, Верди или что-нибудь еще в наушниках, и тысячи пластин на столе», — говорит она.
Ее измерения включают визуальное сравнение целевой звезды с яркими звездами известной звездной величины в том же крошечном поле зрения. «Например, семь градаций от А, три градации от В», — сказала она. К концу нескольких недель она запишет несколько сотен измерений звездной величины на сотнях или даже тысячах пластин, чтобы построить кривую блеска объекта, охватывающую десятилетия.
Рене Худек посетил более 70 коллекций тарелок по всему миру и подсчитал, что в мире может сохраниться около 10 миллионов стеклянных тарелок.
Брэдли Шефер, астроном из Университета штата Луизиана, специализируется на катаклизмических переменных звездах — объектах, яркость которых меняется со временем из-за какого-либо крупного космического потрясения. Его любимые объекты — повторяющиеся новые — двойные системы, в которых массивный белый карлик поглощает столько вещества у своего партнера, что его поверхность становится достаточно плотной и горячей для протекания ядерного синтеза, что приводит к резкому увеличению яркости по меньшей мере дважды за столетие. Более распространенные новые работают аналогичным образом, но их белые карлики меньше, а значит, вспышки происходят гораздо реже.
Ученые считают, что может существовать связь между повторяющимися новыми и сверхновыми типа Ia. Эти сверхновые имеют критически важное значение для измерения скорости расширения Вселенной. Шефер проверяет теорию о том, что повторяющиеся новые могут эволюционировать в сверхновые типа Ia.
Измеряя их яркость в течение многих лет, потенциально в течение нескольких вспышек термоядерного синтеза, Шефер смог наблюдать закономерности и изменения в этих орбитальных системах. Он смог отследить орбитальные периоды более десятка систем и исключил некоторые из них как потенциальные предшественники особого типа взрывов сверхновых.
Для этой работы, по словам Шефера, «необходимы данные за многие десятилетия. Архивные данные — это единственный доступный вариант».
Исторические вспышки
Если и когда что-то происходит во Вселенной, астрономы хотят знать его историю. Более старые данные позволяют им наблюдать более ранние вспышки, всплески или другую активность, и «это помогает в интерпретации и, возможно, предлагает другую модель», — сказал Грэм.
Активные галактические ядра (АГЯ), которые изучает Грэм, представляют собой активные сверхмассивные черные дыры и окружающие их аккреционные диски. Их яркость изменяется случайным образом, поэтому описание этих изменений является сложной задачей. Хотя ученые располагают 60 годами целенаправленных данных и 5 миллионами временных рядов изображений АГЯ, он сказал: «Мы до сих пор толком не понимаем механизмы, посредством которых они изменчивы».
Грэм является соруководителем и научным сотрудником проекта Zwicky Transient Facility (ZTF), еще одного проекта по исследованию неба, направленного на поиск изменяющихся космических объектов. ZTF использует 48-дюймовый телескоп Ошина-Шмидта на горе Паломар в Калифорнии. Этот телескоп охватывает несколько эпох наблюдательной астрономии. Сегодня он оснащен сложными цифровыми детекторами, но также использовался для фундаментальных исследований во времена стеклянных фотопластинок. Недавно Грэм получил 20 терабайт исторических данных: оцифрованные версии пластинок, полученных в ходе проекта Palomar Observatory Sky Survey (POSS), впервые проведенного в 1940-х и 1950-х годах, и его преемника POSS-II, который охватывал 1980-е и 1990-е годы.
Это будет не первый случай, когда он объединяет данные из нескольких обзоров, хотя в прошлом он сосредоточивался только на создании цифровых обзоров. Объединение наборов данных с нескольких телескопов и наблюдений требует калибровки с учетом различий в оптике, фильтрах и детекторах.
Наличие физической пластины или ее отсканированного изображения создает дополнительные сложности, сказал Гриффин. Плотность фотоэмульсии — эти темные пятна — очень специфическим образом связана с интенсивностью падающего звездного света.
Но астрономы, умеющие читать эти изображения, могут объединить свои измерения с данными более поздних обзоров для получения более долгосрочной картины. Шефер использует данные с нескольких космических телескопов, но они не подходят для его целей, если не сочетаются с наземными наборами данных и более историческими формами наблюдений. «Это всего лишь одна точка, — сказал он об изображениях, полученных с помощью космических телескопов, — где рассказывается история на протяжении столетия».
Гонка со временем
В каждом телескопе, который астрономы использовали для изучения неба в течение столетия до 1980 года, применялась фотосъемка на стеклянных пластинах. Пластины, если их хранить в стабильных условиях и не складывать сверху под тяжестью, могут сохраняться столетиями.
К сожалению, некоторые коллекции были утеряны при переезде факультетов в другие здания. Другие даже были выброшены на помойку. Состояние многих сохранившихся экземпляров может вызывать опасения: некоторые стеклянные пластины потрескались или представляют собой лишь осколки. В других случаях эмульсия отслаивается из-за перепадов влажности или плесень, образовавшаяся из-за воздействия воды.
И Худек, и Гриффин являются убежденными сторонниками ценности этих исторических артефактов. Оба также сталкивались с уничтожением коллекций и сохранением данных.
Гриффин рассказала об одном случае в зарубежной коллекции. Она заглянула в коробку с конвертами для пластин и достала пластину со спектром яркой звезды Арктур. «Эмульсия отслоилась, — сказала она. — Отслоилось только стекло». Все пластины в коробке были одинаковыми. По-видимому, их слишком быстро переместили из зоны высокой влажности в зону низкой влажности.
Сохранившиеся коллекции фотопластинок могут стать постоянным источником открытий. А благодаря тщательному сканированию содержащиеся в них данные могут оказаться бесценными, полными скрытых сюрпризов, почерпнутых из столетия астрономических вспышек, взрывов и многого другого. Обсерватория Рубина приведет ко многим невероятным открытиям; ее ранние изображения уже это сделали. Но жизнь космических объектов долга, и понимание сегодняшних данных опирается на вчерашние, в виде бесчисленных стопок великолепного стекла. Вот почему, по словам Гриффина, «крайне важно их сохранить».
Источник: www.quantamagazine.org
