Наприкінці серпня Головна астрономічна обсерваторія НАН України організувала наукову школу з астрофізики та космології «Крізь Чумацький Шлях у Всесвіт», де польська астрофізикиня Агнешка Полло прочитала лекцію про еволюцію галактик і пояснила, чому карти будови Всесвіту складають на основі мізерної частини його вмісту.
Агнешка Полло, професорка польського Національного центру ядерних досліджень та Ягеллонського університету в Кракові, заступниця директора з наукової роботи центру. Заснувала там відділ астрофізики, який тепер очолює Катажина Малек. Досліджує спостережну космологію, статистику великомасштабної структури Всесвіту, еволюцію галактик і астроінформатику.
Агнешка Полло координує польський консорціум LSST, який готує бази даних для Обсерваторії імені Вери Рубін і десятирічного огляду південного неба. Саме на цих даних працюватимуть і українські астрономи, а співпраця між ГАО НАН України та групою Полло вже триває. У лекції вона кілька разів повертається до думки, що більша частина роботи ще попереду і що робити її треба спільно з українськими колегами.
Пів відсотка Всесвіту
Усе, що астрономи знають про будову Всесвіту у великих масштабах, ґрунтується на менш ніж половині відсотка його вмісту. Про решту або немає жодних даних, або їх надто мало, щоб робити висновки.
Сучасна космологія описує Всесвіт узгодженою моделлю ΛCDM, яка поєднує холодну темну матерію і космологічну сталу. Вона працює, хоча природа більшої частини її складників досі невідома. Найбільшу частку балансу маси й енергії становить темна енергія, яку описують космологічною сталою, проте, за попередніми даними колаборації DESI, її густина змінюється з часом, а отже, сталою вона не є. На темну матерію припадає приблизно чверть цього балансу. Звичайна матерія, з якої складаємося ми, планети та зорі, дає менш ніж 5 %. Ціною узгодженої моделі Агнешка Полло називає те, що частки складників відомі точно, а самі складники — ні. Скільки у Всесвіті темної енергії й темної матерії, порахувати вдається, а їхня природа залишається невідомою.
Навіть ці 5 % не вдається виявити цілком. Більша частина звичайної матерії існує у вигляді розрідженого газу, який заповнює простір усередині скупчень галактик і між самими скупченнями. Вимірювання реліктового випромінювання показують, скільки її має бути в сучасному Всесвіті, й це помітно більше за те, що вдалося зафіксувати. Проблема відома як зниклі баріони. Одна з гіпотез пояснює нестачу теплим газом, випромінювання якого надто слабке для наявних приладів. Зафіксувати його сподіваються за допомогою рентгенівської обсерваторії NewAthena, запуск якої планують наприкінці 2030-х років. До того часу залишається відкритим питання, у якій формі існує решта звичайної матерії.
Темна матерія не бере участі в електромагнітній взаємодії та виявляє себе лише гравітацією, тому про будову Всесвіту судять за тим, що випромінює світло. Головним джерелом відомостей про сучасний і давній Всесвіт стали галактики, а на них разом із матерією, яку вони містять, припадає близько 7 % усієї звичайної матерії. Карти великомасштабної структури, оцінки її еволюції та значна частина космологічних параметрів спираються на спостереження цієї крихітної частки. Разом ці дві цифри дають менш ніж пів відсотка від усього вмісту Всесвіту.
Звідси й головне застереження Агнешки Полло. Якщо про будову Всесвіту судять переважно за галактиками, треба точно розуміти, наскільки правдиво вони цю будову відтворюють. Пошук відповіді починається з того, що самі галактики влаштовані дуже по-різному.
Гіпотеза, яка не підтвердилася
Едвін Габбл припустив, що галактики розвиваються від простих форм до складних, і сучасна термінологія досі спирається на цю гіпотезу. Класифікація, яку він запропонував, розташовує галактики на діаграмі, схожій за формою на камертон. З одного боку стоять еліптичні, гладкі, без виразної будови. З другого — спіральні, у яких є диск, рукави та потовщення в центрі, яке називають балджем. Габбл виходив із того, що невиразна форма з часом ускладнюється, тому вважав еліптичні галактики початковою стадією і назвав їх ранніми типами, а спіральні — пізніми. Сьогодні відомо, що розвиток іде іншим шляхом. Різні типи мають переважно окремі історії, й науковці припускають, що спіральна галактика за певних умов здатна стати еліптичною, тоді як зворотне перетворення не зафіксоване. Тобто напрямок у назвах протилежний тому, що відбувається насправді, а назви лишилися ті самі. Агнешка пояснює це консерватизмом у термінології й додає, що в інших питаннях астрономи, на щастя, гнучкіші.
Різниця між двома типами не зводиться до форми. У спіральних галактиках є газ і пил, а отже, тривало утворюються нові зорі. Молоді світила гарячі й випромінюють переважно у блакитній частині спектра, тому вся система набуває блакитного відтінку. В еліптичних — інша картина: газу і пилу немає, нові зорі не з’являються, а ті, що лишилися, — старі, холодніші й через це червоніші. Різниця простежується і в масах. Спіральні трапляються переважно серед легших галактик, тим часом як еліптичні охоплюють увесь діапазон — від карликових до найважчих із відомих. Саме маса пояснює, чому в одних системах газ вичерпався за перші мільярди років, а в інших зореутворення триває дотепер.
Магазин від Universe Space Tech
Дитяча бананка Noosphere – Space Explorer
До товару
На діаграмі у формі камертона є галактики, які не відповідають звичному поділу. Лінзоподібні галактики мають диск, як спіральні, але червоний колір і старі зорі, як еліптичні. Виглядають вони як невеликий проміжний підтип, а насправді їх більше, ніж усіх еліптичних разом узятих. Розподіл цієї проміжної групи у просторі теж відрізняється від обох основних типів.
Галактики різних типів розподілені у великомасштабній структурі неоднаково. Еліптичні тяжіють до щільних ділянок і центрів скупчень, а спіральні, навпаки, до розріджених околиць. Лінзоподібні розташовані у проміжній зоні на краях тих самих скупчень. Найкраще це видно на діаграмі зі Слоанівського цифрового огляду неба, де кожна точка позначає окрему галактику. Червоні й блакитні точки по-різному вибудовують мережу з ниток речовини й порожніх ділянок між ними, які астрономи називають войдами. А помітно це одразу, без жодних обчислень. Отже, від того, які саме галактики потрапили у спостереження, залежить і те, яку картину структури побачить дослідник.
«Природа чи виховання»
Питання про те, чому галактики сформувалися настільки різними, астрономи почали активно розглядати на початку 1990-х років крізь призму запозиченої із соціальних наук давньої суперечки «природа чи виховання» — nature or nurture. У її початковому сенсі йдеться про те, що більше визначає людину: вроджені властивості чи середовище, у якому вона зростає. Виявилося, що до галактик ця схема застосовується напрочуд добре. Їхні властивості можуть визначатися як внутрішніми умовами формування й еволюції, так і впливом навколишнього середовища.
Природа для галактики це передусім маса темного гало, у якому вона утворилася. Таке гало виникає там, де матерії накопичилося достатньо, щоб її тяжіння здолало загальне розширення. Простір навколо згустку локально припиняє розтягуватися і починає стискатися, а вміст усередині приходить у рівновагу. Далі темна матерія залишається в цьому стані, адже не бере участі в жодних взаємодіях, крім гравітаційної. Звичайний газ поводиться інакше. Його частинки стикаються між собою, втрачають енергію через випромінювання й осідають значно глибше, аж до центру. Тому гало велике й розмите, а галактика всередині нього мала і щільна. Саме від маси гало залежить, якою ця галактика сформується.
У масивному гало газ падає до центру стрімко і з усіх боків одночасно. Потоки з протилежних напрямків гасять один одного, тому момент обертання не накопичується, а система набуває еліпсоїдної форми. З того самого газу швидко утворюються зорі, причому у величезній кількості. Легші з них світитимуть ще мільярди років, а найважчі вичерпують паливо за лічені мільйони й завершують існування спалахами наднових. Коли за короткий час їх спалахує багато, виникає потужний галактичний вітер, який виносить залишки газу не лише з самої галактики, а й з її околиць. Матеріалу для наступних поколінь зір не лишається. Так утворюється еліптична галактика, зоряне населення якої з часом старішає і не поповнюється новим.
У легкому гало все відбувається інакше. Речовина стікається до центру повільно і найчастіше з одного напрямку, вздовж місцевої нитки великомасштабної структури. Такий потік має власний момент обертання, і замість падати прямо до центру, речовина закручується навколо нього в диск. Газ надходить повільно і потроху, тому зореутворення розтягується на десять і більше мільярдів років і в багатьох галактиках триває дотепер. Саме так сформувався Чумацький Шлях і подібні до нього спіральні системи. Виникли вони не пізніше за еліптичні, просто витрачають свій запас газу значно повільніше.
Пояснення здається елегантним, доки не згадати про «виховання» або, в астрофізичному контексті, про оточення галактик. Галактики не існують поодинці. Чумацький Шлях гравітаційно пов’язаний із Туманністю Андромеди, обидві входять до Місцевої групи разом із десятками карликових супутників, і вся ця система розташована у порівняно порожній ділянці Всесвіту. У скупченнях відстані значно менші, тому сусідні галактики там постійно зближуються, і частина таких зближень завершується злиттям.
За оцінками, Чумацький Шлях пройшов щонайменше через чотири або п’ять великих злиттів із галактиками приблизно своєї маси й набагато більше дрібних поглинань супутників. Проте злиття — не єдиний можливий підсумок зближення. Часто галактики розходяться, витягнувши одна з одної частину речовини припливними силами, які виникають через нерівномірність тяжіння, і після цього змінюються їхня форма і характер обертання.
Ще сильніше на галактику впливає скупчення. Простір між галактиками у скупченні заповнений гарячим газом, і він достатньо щільний, щоб зривати холодну речовину з кожної галактики, яка входить у скупчення ззовні. Водночас тяжіння всієї системи змінює умови так, що холодний газ ззовні до цієї галактики більше не надходить, і зореутворення в ній поступово згасає.
Якщо Чумацький Шлях і Туманність Андромеди колись зіллються, певна ймовірність утворення однієї великої спіральної галактики лишиться, але ймовірніше з такого злиття утвориться еліптична галактика.
Дилему «природи та виховання» або в нашому випадку «природи та оточення» розв’язують так само, як у соціальних науках — через поєднання обох чинників. Здебільшого, головним чинником залишається маса гало, тому про еволюцію галактик кажуть, що вона визначається масою. Оточення діє поряд із нею як другий незалежний чинник, і саме через нього галактики однакової маси розвиваються по-різному. Виходить, що картину структури Всесвіту складають за об’єктами, вигляд яких визначений цією ж структурою.
«Космічна змова» двох ефектів
Наскільки серйозно це впливає на результат, показали два випадки з історії вимірювань. На початку 2000-х найбільші огляди близького Всесвіту виміряли ту саму величину і дали несумісні результати. Слоанівський цифровий огляд неба і двоградусний огляд червоних зміщень працювали в однакових умовах і оцінювали, наскільки сильно галактики збиваються в групи. Розбіжність виявилася такою, що космологічні параметри, обчислені з кожного набору даних, не збігалися навіть у межах похибок. Причину шукали довго, а виявилася вона простою. Галактики відбирали через фільтри різного кольору, один трохи червоніший, другий трохи блакитніший. Червоні галактики яскравіше світять саме в червоному діапазоні, тому в першу вибірку їх потрапило помітно більше. А оскільки такі галактики зосереджені в щільних ділянках, виміряне групування в цьому огляді й вийшло сильнішим.
Другу історію Полло розповідає про себе. У ті самі роки вона працювала з глибоким оглядом VVDS, який отримав спектри шести тисяч галактик і на той час залишався найглибшим у своєму класі. Сьогодні така кількість здається скромною, а тоді вона вважалася величезною. Дослідниця відповідала за те, щоб виміряти, як групування галактик змінювалося з часом.
Очікування були зрозумілі. Гравітація стягує речовину, тому з плином часу галактики мали б групуватися дедалі щільніше. Полло побудувала графіки для епох — від сучасного Всесвіту до того, яким він був приблизно десять мільярдів років тому, і криві виявилися практично однаковими. За десять мільярдів років гравітація мала стягнути галактики в помітно щільніші згустки, а на графіках ця зміна не відображалася взагалі. За її словами, вона провела безсонні ночі в пошуках хиби в коді. Її там не було.
Пояснення знайшлося не в коді, а в самих даних. Групування галактик справді посилювалося з часом, і цей чинник діяв саме так, як передбачали. Проте у вибірку потрапляли всі галактики поспіль, без обмеження за яскравістю, а на великих відстанях доступні для спостережень лише найяскравіші. Такі об’єкти розташовані в найщільніших ділянках структури, тому їхнє розташування завжди здається тіснішим. Астрономи називають це зміщенням за світністю. Через нього далекий Всесвіт у тій вибірці поставав щільнішим, ніж був насправді. Два чинники змінювали одну й ту саму криву в протилежних напрямках і майже точно погасили один одного. Полло називає такий збіг «космічною змовою».
Обидва випадки показують, що однаковий результат не означає однакового механізму за ним. Буває й навпаки, коли за артефактом обробки бачать реальне явище. Галактики поділяють на червоні й блакитні, а між двома групами є проміжна зона, яку називають зеленою долиною. Саме там сподіваються застати галактики в момент переходу від активного зореутворення до згасання. Агнешка звертає увагу, що межа між двома типами залежить і від маси галактики, й від епохи. Якщо в одну вибірку зібрати галактики різних мас і різних епох, поділ доведеться робити однією спільною межею, хоча для кожної підгрупи вона своя. Частина звичайних червоних і блакитних об’єктів через це опиниться в зеленій долині. Тоді ця зона виявиться статистичним ефектом, а не місцем справжнього переходу.
Галактики поза каталогами
Вибірка змінює реальну картину не лише тим, що в ній опиняється, а й тим, чого в ній немає взагалі. Приблизно половини всіх галактик у каталогах бракує. Йдеться про об’єкти низької поверхневої яскравості, які світяться настільки слабко на одиницю площі, що на знімку майже не відрізняються від порожнього неба. Відомі вони давно, але лише зараз їх починають знаходити у великих кількостях. Стандартні пороги виявлення для таких об’єктів завеликі, й за сучасними оцінками поза оглядами залишається до половини галактичного населення Всесвіту.
Шукати такі об’єкти вручну на мільйонах знімків неможливо, тому для пошуку застосовують нейромережі. Навіть добре навчена модель справляється з цим погано, і кожен новий каталог потребує великих зусиль. Полло з колегами вже зібрали перші великі добірки тьмяних галактик і виявили, що серед них є і червоні, й блакитні. Ще більше дало вимірювання їхнього розташування у просторі. За силою групування ці галактики різко вирізняються з-поміж усіх інших. Науковці припускають, що такі об’єкти досі не враховані в картині великомасштабної структури, а їхнє вивчення допоможе зрозуміти й роль взаємодій з оточенням, і властивості темної матерії.
Нейромережі змінили не лише пошук галактик, а й уявлення про те, скільки їхніх типів існує насправді. Десять років тому Полло з групою застосували до огляду VIPERS навчання без учителя, коли моделі не дають готових прикладів, а вона сама шукає в даних групи схожих об’єктів. До вибірки увійшли майже сто тисяч галактик, і донині це найбільший спектроскопічний огляд такої глибини. У результаті вибірку поділили на кілька підкласів, п’ять — серед блакитних, три — серед червоних і ще кілька — серед проміжних. Більше отримати не вдалося через обмежений перелік характеристик, за якими порівнювали об’єкти.
Кожному, хто показує результати такої класифікації, ставлять одне й те саме запитання: звідки впевненість, що поділ відображає фізику, а не просто виконання вказівки для нейромережі розбити вибірку на групи? Полло з групою перевіряли це через щільність оточення, бо цю характеристику в класифікацію не закладали, а отже, збіг з нею вказував би на реальну природу поділу. Загалом підкласи розташувалися очікувано, блакитні тяжіли до розріджених ділянок, а червоні виявилися згрупованими сильніше. Але серед блакитних тісний зв’язок зі щільністю показав лише один підклас, найчисленніший, тоді як решта від оточення майже не залежала.
Ще цікавіше вийшло з червоними. Серед них виявилася підгрупа, яку однаково часто знаходять і в щільних, і в порожніх ділянках, а розміри цих об’єктів помітно менші за звичайні. Полло припускає, що зореутворення в них припинилося швидко і що злиттів у їхній історії не було. Такі галактики називають червоними самородками, й за ними можна простежити еволюцію без впливу оточення. Крім того, Агнешка бачить у них кандидатів на роль космічних хронометрів для незалежного вимірювання параметра Габбла, який показує, з якою швидкістю Всесвіт розширювався в кожну епоху. Щоб зменшити похибки, потрібні майбутні огляди.
Перший із них уже працює. Обсерваторія імені Вери Рубін розпочала спостереження 2025 року, а 2026-го стартував десятирічний огляд (LSST – Legacy Survey of Space and Time). Попередні програми були або глибокими, або широкими, а ця поєднує обидві властивості й додає до них ще й вимір часу. Усе південне небо сканується приблизно кожні три доби, тому воно постає не як одна картина, а як послідовність змін. За десять років LSST має зафіксувати близько 37 млрд джерел, тобто окремих об’єктів на знімках, і тьмяні галактики до цього числа не входять. Обробити такий масив звичними способами неможливо.
Без машинного навчання тут не обійтися, але й самих алгоритмів, за словами Агнешки Полло, не вистачить. Класифікувати дані допомагатимуть проєкти громадянської науки на кшталт Galaxy Zoo, де форму галактик на знімках визначають добровольці. Відкритим залишається питання, що дає кращий результат для навчання моделей: великі добірки від тисяч учасників чи менші, але підготовлені досвідченими астрономами.
Половина галактичного населення досі поза каталогами, а перші десятки мільярдів джерел з Обсерваторії імені Вери Рубін надійдуть уже найближчими роками. Готової методики для такого обсягу немає, і Полло розраховує, що її розроблятимуть уже разом з українськими астрономами.
