холодная тёмная материя

Свет далёкой галактики пробивается к нам сквозь собственную пыль. Пыль эта — не ровный туман, а рваные облака, похожие на клочья ваты. Старые модели считали её однородной дымкой, и тогда галактика не сходилась по энергии: слишком много света пропадало в ультрафиолете и слишком мало возвращалось в инфракрасном. Астрономы поступили как повар, который вместо целой картофелины кладёт в суп кубики.

Радиотелескоп с пятисотметровой тарелкой FAST зарегистрировал сигнал на длине волны 21 сантиметр — это спектральная линия излучения холодного нейтрального водорода. Сигнал исходил от облака, получившего название Cloud-9. Оно находится вблизи галактики M94, но не содержит ни одной звезды.

Ночное небо кажется случайной россыпью звёзд. Но если разглядеть его на огромных расстояниях, хаос исчезает. Галактики собираются в длинные нити и плоские стены, а между ними зияют исполинские пустоты — космические войды. Эту конструкцию называют космической паутиной. Чтобы описать такую сложную систему, недостаточно просто посмотреть на картинку.

Стандартная космологическая модель ΛCDM — включающая тёмную энергию и холодную тёмную материю — подобна партитуре космической симфонии. Она описывает, как после Большого взрыва расширялось пространство, как сгущалась тёмная материя и как зажигались галактики.

Вселенная похожа на огромный невидимый каркас. Мы не видим его напрямую, но знаем, что он есть: галактики и скопления держатся вместе именно благодаря ему. Этот каркас — тёмная материя, гипотетическая форма материи, не испускающая и не поглощающая свет, но проявляющая себя через гравитацию.

Через три минуты после Большого взрыва Вселенная играла свою первую симфонию. Это был Большой взрыв нуклеосинтез — образование лёгких ядер, где каждый элемент звучал своей нотой, а темп задавался расширением пространства.

Холодная чёрная гладь — так миллиарды лет выглядело море тёмной энергии, невидимой субстанции, расталкивающей расширение Вселенной. Но спектрограф DESI зафиксировал едва уловимую зыбь. Застывшие звуковые волны — барионные акустические осцилляции — подсказали: с космическими расстояниями неладно.

Вселенная — грандиозный оркестр, где тёмная энергия дирижирует расширением.

Когда планета-гигант растёт, она втягивает в себя газ. Часть этого газа закручивается вокруг неё в маленький диск — его называют околопланетным диском. Именно в таких дисках, как считается, появляются спутники. У планеты PDS 70 c, которая находится в 370 световых годах от нас, такой диск увидели напрямую с помощью антенной решётки ALMA в миллиметровом диапазоне.

Космологическая кухня полна невидимых ингредиентов. Тёмная материя, словно невидимый каркас, удерживает галактики от разлёта, а тёмная энергия, как дрожжи в тесте, заставляет пространство расширяться всё быстрее.

Вселенная расширяется с ускорением — словно тесто, которое поднимается всё быстрее, хотя дрожжи давно кончились. Двадцать лет астрономы ищут причину и называют её тёмной энергией. Но что это такое, остаётся загадкой. Новая работа предлагает неожиданный источник: вакуум внутри атомного ядра.

Гигантское облако невидимого вещества работает как кривое зеркало — искажает свет далёкой галактики. По этим искажениям астрономы могут взвесить облако и заглянуть в его недра. Именно так, с помощью природной гравитационной линзы с кодом JVAS B1938+666, учёные наткнулись на странность: внутри линзы прячется объект массой в миллион солнц, но сжатый до неожиданно маленького объёма.

Вселенная растёт, как мегаполис: галактики-небоскрёбы возводятся на невидимом каркасе из тёмной материи — гипотетической субстанции, не излучающей свет, но создающей гравитационное притяжение, которое стягивает строительный материал.

Вселенная расширяется всё быстрее благодаря тёмной энергии — загадочной субстанции, пронизывающей космос и отвечающей за ускоренное расширение. Но измерения скорости этого расширения дают противоречивые результаты. Новое объяснение: в прошлом тёмная энергия работала как тормоз, замедляя разбегание галактик, а затем переключилась на разгон.

Сквозь рябь на воде камешки на дне бассейна кажутся сдвинутыми и искажёнными. Похожим образом гравитация невидимой тёмной материи искривляет свет далёких галактик — это явление называют слабым линзированием. Но рябь в бассейне живёт только на поверхности, а тёмная материя распределена в объёме, на разной глубине.

Всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва — стремительного расширения пространства, породившего нашу Вселенную, — в океане невидимой тёмной материи (загадочной субстанции, проявляющей себя только через гравитацию) уже формировались гигантские чёрные дыры — области пространства с настолько сильной гравитацией, что…

Сжатая пружина лежит годами без движения. Кажется, она застыла навсегда, но внутри металла атомы медленно перестраиваются — и однажды пружина щелкает, переходя в новое, более свободное положение.

Вселенная, словно игроки за карточным столом, подчиняется строгим правилам. Одно из фундаментальных условий: гравитация — всегда притяжение, а энергия не может принимать отрицательных значений.

Вселенная — огромный город. Тёмная материя — невидимый каркас зданий, а тёмная энергия — сила, растягивающая улицы. Долгое время их считали независимыми, но новое исследование уличило их в тайном общении.

Всё началось с крошечного сгустка, который рос быстрее, чем свет успевал его обогнуть. Внутри этого раздувающегося пузыря — нашей будущей Вселенной — царила невообразимая жара. Но одно поле, названное инфлатоном (двигателем раздувания), вело себя как дирижёр: оно управляло и расширением, и тем, как вели себя другие частицы.

Долгое время тёмная энергия — загадочная субстанция, ответственная за ускоренное расширение Вселенной — рассматривалась как фундаментальная константа, неизменная во времени и пространстве. Эту ситуацию можно сравнить с дрожжами, которые никогда не теряют своей активности.

Двое часов показывают разное время. Одни стоят у нас на столе, другие — далеко в прошлом, в свечении, оставшемся после Большого взрыва. Первые, глядя на близкие галактики, отсчитывают скорость расширения Вселенной — около 73 километров в секунду на каждый мегапарсек расстояния. Вторые, вглядываясь в древний свет, дают заметно меньше — примерно 67.

Вы меряете шагами огромный зал в полной темноте. Идёте от стены до стены, считая шаги, и вдруг понимаете: расстояния сходятся не так, как должны. Кажется, будто пол не плоский, а выгнут горбом или вогнут чашей. Примерно это астрономы обнаружили, изучая далёкие галактики и звуковые волны, застывшие в ранней Вселенной.

Космическая паутина похожа на гигантскую трёхмерную сеть: галактики и скопления связаны нитями из тёмной материи. Эти нити — как невидимые мосты, по которым вещество стекается к крупным узлам. Учёные долго пытались понять, как устроена плотность этих нитей, но получали противоречивые результаты.

В самом центре Млечного Пути, за плотной завесой пыли, скрывается гигантское скопление газа — Центральная молекулярная зона. Простым глазом её не увидеть: пыль поглощает видимый свет, как густой туман скрывает огни города. Но радиоволны и инфракрасное излучение проходят сквозь эту завесу, позволяя астрономам разглядеть отдельные облака.

Астрономы стремятся зарегистрировать радиоэхо Большого взрыва — реликтовое излучение, слабое микроволновое свечение, пронизывающее всю Вселенную.

Вселенная расширяется всё быстрее. Раньше это списывали на тёмную энергию — загадочную силу, которая работает одна. Но последние измерения словно подслушали чужой разговор: похоже, тёмная энергия не молчит, а перешёптывается с тёмной материей.

Свет далёких галактик, проходя сквозь массивные скопления вещества, испытывает искажения — подобно тому, как дно бассейна кажется раздробленным из-за ряби на поверхности воды.

Загадку тёмной материи — таинственной субстанции, проявляющей себя лишь через гравитацию, — изучали ещё пионеры космологии Фриц Цвикки и Вера Рубин. Долгое время её представляли холодным, безвольным каркасом, который только стягивает галактики, словно невидимый скульптор, задающий форму космической паутине.

Вселенная — это пирог, который готовят по одному рецепту, но чайная ложка и кухонные весы упорно показывают разное количество сахара. Так и с расширением Вселенной: измерения по близким звёздам (ложка) дают одно значение постоянной Хаббла, а по древнему свету Большого взрыва — реликтовому излучению (весы) — совсем другое.

Телескоп Джеймс Уэбб зафиксировал в ранней Вселенной необычные объекты — «красные точки», компактные образования размером в десятки световых лет. Спектральный анализ их излучения выявил характерный цвет водорода, однако в рентгеновском диапазоне эти объекты практически неразличимы.

Астрономы восстанавливают историю галактик по их визуальным портретам, подобно тому, как геолог читает прошлое планеты по слоям горных пород.

Тёмная материя — невидимый каркас космоса, гравитационно удерживающий галактики и скопления. Её существование впервые заподозрил Фриц Цвикки, изучая скорости галактик в скоплении Волос Вероники, а позже убедительно подтвердила Вера Рубин, измеряя кривые вращения спиральных галактик.

Частицы тёмной материи — таинственной субстанции, не испускающей и не поглощающей свет, — могут проявлять свойства, напоминающие патоку. В одной теоретической модели они движутся свободно, не взаимодействуя друг с другом; в другой — испытывают слабые столкновения, порождая своеобразную вязкость.

Вселенная играет спектакль, и главная роль в нём отведена тёмной энергии. Долгое время казалось, что актёр неизменен: космологическая постоянная (энергия вакуума, ускоряющая расширение Вселенной) задавала один и тот же тон.