Возможно, мы никогда не увидим далеких галактик в высоком разрешении

Вы можете разглядеть точку в вопросительном знаке этого предложения? А если отойти на пару метров? Эту мельчайшую деталь обычный человек может разглядеть с расстояния не больше метра. Называется это «разрешение». Лучшее разрешение оптической системы — вроде глаза — примерно задается отношением длины волны света, на который вы смотрите, и размером диафрагмы, через которую проходит свет.

В астрономии разрешение работает точно так же. Этим объясняется, почему мы строим невероятно большие телескопы: они не только смогут собрать больше света и, следовательно, заглянуть дальше, но и чем больше диафрагма телескопа, тем лучше изображение в принципе.

Недавнее исследование показало, что у Вселенной может быть фундаментальный предел разрешения. Это означает, что какой бы большой телескоп мы ни построили, мы не сможем разглядеть самые далекие галактики так четко, как хотелось бы.

Проблемы телескопов

У самых крупных телескопов, работающих в видимом диапазоне на Земле, вроде Очень большого телескопа и телескопа Кека, зеркала порядка десяти метров в диаметре; в настоящее время также планируется строительство телескопов с диаметром от 30 до 40 метров (Чрезвычайно большой телескоп). Но есть проблема: если свету от объекта (будь то свеча, фонарь или звезда) что-то помешает во время движения от источника к месту обнаружения, мы никогда не сможем произвести изображение теоретически максимально четким, независимо от размера нашего инструмента.

Мы знаем, что свет играет с нами в игрушки. Смотрели когда-нибудь на дно бассейна, видели, как плиточки искажаются и пляшут? Или если положить соломинку в стакан с водой, можно увидеть, как ее «ломает» пополам в месте соединения воздуха с водой. Свет, идущий к нашим телескопам из космоса, должен пройти через турбулентную атмосферу, и это создает проблемы для астрономов.

Подобно идеальному ряду океанских волн, сталкивающихся с подводным рифом, атмосфера искажает распространение волн. Для электромагнитных волн — света — этот эффект приводит к размытию изображения. Если не скомпенсировать его, мы никогда не достигнем теоретически максимального разрешения для телескопа. Вывести телескоп в космос, за пределы атмосферы, это одно из решений, хотя и дорогое. «Адаптивная оптика», — другое, но техническое сложное.

Квантовая пена

Недавно представленное исследование Международного астрономического союза делает прогноз о природе космоса, взяв за основу странный мир квантовой физики. Ученые считают, что природа пространства-времени на квантовом уровне может привести к появлению своего рода «фундаментального предела разрешения» космоса, породив причины для беспокойства на тему того, насколько четко телескопы будущего смогут различать самые далекие галактики.

Идея заключается в следующем. Согласно квантовой механике, на мельчайших масштабах, известных как шкала Планка (10^-35, число с тридцатью четырьмя нулями после запятой), пространство считается «пенистым». На этих мельчайших масштабах, как считают квантовые физики, вселенная наполнена «виртуальными частицами», которые возникают и быстро аннигилируют. Тем не менее в эти короткие мгновения у этих частиц есть энергия, а значит — согласно уравнению E = mc^2 — и масса.

Любая масса, какой бы малой ни была, искажает пространство-время. Таково эйнштейново описание гравитации. Наиболее ярким примером этого явления в природе можно назвать гравитационное линзирование далеких галактик массивными скоплениями. Фотоны — частицы света — проходящие через пенистое пространство-время будут подвергаться воздействию этих флуктуаций, как если бы свет проходил через нашу плотную и турбулентную атмосферу.

Конечно, этот эффект очень мал — почти незначителен. Но фотону, испущенному из далекой галактики, предстоит пройти долгий путь. На этом пути бесчисленные «фазовые возмущения», вызванные пенной природой пространства-времени, могут складываться. Согласно прогнозу, этот эффект настолько мал, что почти не мешает нам делать самые лучшие из возможных снимков космоса с помощью наших текущих телескопов. Но — если теория верна — это космическое размытие может отражаться на снимках далеких галактик, которые мы будем делать с телескопами нового поколения. Среди них — преемник Хаббла, космический телескоп Джеймса Вебба, который будет запущен в 2018 году.

Тем не менее до сих пор нет общепринятой теории, объединяющей видение гравитации Эйнштейна с квантовой механикой — это одна из ключевых задач современной физики — поэтому нам не стоит принимать этот прогноз за чистую монету. Даже если он будет корректным, его последствия, по сути, расстроят лишь группку астрофизиков, изучающих подробности структур самых далеких галактик.

Что более интересно, так это возможность существования фундаментального природного ограничения разрешения, которое мы не можем обойти, но которое вытекает из квантовых процессов и проявляется на космологических масштабах. Возможно, природа тщательно скрывает свои секреты, и это один из способов естественной конспирации.