космический фон

Представьте бухгалтера, который пересчитал все заводы, склады и магазины, но баланс не сходится — половина товара будто испарилась. Примерно так астрономы десятилетиями искали обычное вещество в современной Вселенной. Звёзды, газ в галактиках, плазма в скоплениях — всё это вместе давало лишь часть того, что должно быть согласно ранним эпохам.

Закипающее молоко покрывается дрожащей пенкой. По её движениям можно угадать силу огня под кастрюлей и жирность молока. Похожим образом астрофизики всматриваются в реликтовое излучение — древнейший микроволновый свет, дошедший до нас от эпохи, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет.

Вселенная — это огромный тёмный океан. Мы видим лишь светящуюся пену на его поверхности — звёзды и галактики. А в глубине скрыты две невидимые стихии: тёмная материя — невидимое вещество, которое своей гравитацией не даёт галактикам разлететься, и тёмная энергия — загадочная субстанция, которая, наоборот, расталкивает само…

Брошенный камень расходится кругами по воде. Гравитационная волна — такая же рябь, но в пространстве-времени. Её порождает, например, слияние двух чёрных дыр. В классической физике эта рябь вечна: раз возникнув, она летит сквозь Вселенную, не затухая. Но гравитация подчиняется квантовым законам.

Спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что свет отделился от плазмы. Это реликтовое излучение до сих пор пронизывает космос — как первый аккорд симфонии, отзвук горячего начала.

Вселенная остывала, как гигантская ванна после горячего начала. Через 400 000 лет после Большого взрыва водород уже готов был рекомбинировать — протоны ловили электроны, чтобы стать нейтральными атомами. Но где-то в этой тёмной воде продолжал капать кран.

Загадка антивещества в космосе не давала покоя астрофизикам: откуда берутся позитроны, что снежинками оседают в детекторах? Ответ может прятаться в самом вездесущем гамма-фоне. Вселенная пропитана рассеянным светом — космическим фотонным фоном (CPB).

Рождение Вселенной напоминает не взрыв, а дорожную пробку. Сперва, в крошечную долю секунды после Большого взрыва, пространство расширялось вяло, словно автомобили в заторе. Затем последовал резкий рывок — ускоренное расширение, которое космологи называют инфляцией.

Вселенная — не пустота, а огромный кристаллический шар, пронизанный невидимыми границами — доменными стенками, застывшими после фазовых переходов.

Пыльная буря, которая не утихает миллионы лет, бушует не в пустыне, а между звёзд. Там плавают облака разреженного газа, пронизанные магнитными полями. Эти поля выстраивают пылинки, как стрелки компаса, вдоль силовых линий. Когда такая пыль излучает, свет от неё становится поляризованным — он колеблется в одной плоскости, словно верёвка, которую встряхнули только вверх-вниз.

Огромный пруд, по которому расходятся круги от двух тяжёлых камней, кружащихся друг вокруг друга. Камни сближаются, круги становятся чаще и сильнее, и вот-вот камни столкнутся. Гравитационные волны — это такие же круги, но не на воде, а в самой ткани пространства. Их испускают пары массивных чёрных дыр, когда те сливаются в одну.

Когда первые звёзды зажглись, их ультрафиолетовый свет начал отрывать электроны от атомов водорода. Вселенная из нейтрального тумана превращалась в прозрачную плазму.

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой «суп» из фундаментальных частиц — кварков, глюонов, лептонов, пребывавших в состоянии кварк-глюонной плазмы. По мере расширения и остывания этот суп испытывал фазовый переход, подобный кристаллизации: кварки объединялись в протоны и нейтроны.

Радиоволны, проходя сквозь намагниченный газ, слегка поворачивают свою поляризацию — как стрелка компаса отклоняется возле магнита. Этот поворот, называемый эффектом Фарадея, рассказал о невидимой среде вокруг сверхмассивной чёрной дыры в галактике NGC 1275. Астрономы собрали данные за девять лет с трёх разных сетей радиотелескопов.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро схлопывается, а ударная волна мчится наружу. Но ещё до того, как звезда разорвётся, в её недрах могут рождаться частицы, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом. Если они распадаются на свет, то энергия уходит в плотный газ вокруг звезды. Этот газ, словно одеяло, окутывает звезду.

Свет, рождённый в момент Большого взрыва, шёл к нам почти 14 миллиардов лет. Но по пути он проходил сквозь гравитационные поля галактик и скоплений тёмной материи — гипотетической формы материи, не участвующей в электромагнитном взаимодействии и потому недоступной прямому наблюдению. Эти поля искривляли лучи, подобно тому, как неровное стекло искажает изображение.

Быстрые радиовсплески — это кратчайшие, длящиеся порядка миллисекунды, радиоимпульсы из далёкого космоса. За эту тысячную долю секунды они испускают энергию, сопоставимую с месячным излучением Солнца. Один из таких повторяющихся всплесков дал астрономам уникальную возможность заглянуть в эпицентр недавнего звёздного взрыва.

Вселенная похожа на океан, где волны разной длины накатывают на берег. Самые длинные волны — это гигантские неоднородности в распределении вещества, которые мы видим в реликтовом излучении. Стандартная теория говорит, что такие волны должны существовать на всех масштабах.

Солнце время от времени выбрасывает в космос огромные облака плазмы — корональные выбросы массы. Внутри этих облаков часто запутаны протуберанцы — более холодные и плотные сгустки вещества. Именно они содержат много нейтральных атомов, которые ярко светятся в определённых линиях.

Космический телескоп Einstein Probe зарегистрировал небесную грозу: после короткой (0,4 секунды) гамма-вспышки — своего рода космической молнии — последовал долгий раскат рентгеновского грома. Он длился почти 10 минут. Это первое прямое доказательство, что после таких взрывов остаётся длительный рентгеновский след.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро коллапсирует, и внешние слои сбрасываются в грандиозном взрыве — сверхновой (термин ввёл Фриц Цвикки, изучая эти катастрофы).

Вселенная после Большого взрыва была почти идеально однородной. Почти — потому что крошечные неоднородности плотности, растянутые инфляцией, стали зародышами галактик. Но что, если эти же неоднородности могли рождать не только звёзды, но и чёрные дыры?

Ночь 4 марта 2024 года. Радиотелескоп MeerKAT в ЮАР ловит миллисекундный импульс — быстрый радиовсплеск, пришедший из глубины в 17.4 гигапарсека. Это свет, который шёл до Земли 10.5 миллиардов лет. В тот момент Вселенной было всего три миллиарда лет — юность, когда галактики рождали звёзды с бешеной скоростью.