космическое двулучепреломление

Восемь карт неба, снятых разными детекторами телескопа Planck, похожи на восемь дорожных атласов одного города, нарисованных разными картографами. Каждый атлас повёрнут на свой угол: один картограф держал планшет чуть наклонённым, другой — чуть повёрнутым. Если наложить атласы друг на друга, улицы не совпадут. Но если знать, как именно повёрнут каждый атлас, можно совместить их идеально.

Представьте, что вы смотрите на далёкий горный хребет сквозь утренний туман. Контуры вершин размыты, а если туман неоднороден, то одни склоны теряются сильнее других. Примерно так же выглядит для астрономов древний свет Вселенной, который добирается до нас 13,8 миллиарда лет. Этот свет родился, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет — задолго до первых звёзд.

Свет от самой горячей стадии Вселенной летит к нам почти 14 миллиардов лет. Это реликтовое излучение — слабое свечение, заполняющее всё небо, своего рода «эхо» Большого взрыва. Недавно астрономы заметили странность: его поляризация — направление колебаний электрического поля — оказалась повёрнута примерно на 0,3 градуса.

Свет от самого начала мироздания летит к нам 13,8 миллиарда лет. За это время его поляризация — направление колебаний электромагнитной волны — могла испытать поворот, словно стрелка компаса, которую незаметно подкрутили.

Тысячу лет назад викинги брали в море исландский шпат. Полупрозрачный кристалл расщеплял свет на два луча. По их яркости даже в туман можно было найти солнце. Двоякопреломление — физический термин для этого явления — теперь помогает охотиться за самой неуловимой силой космоса. Исландский шпат — прозрачная разновидность кальцита — действительно использовался викингами для навигации.

2.1 × 10⁻⁹ — примерно такой же разброс температуры по небу, как если бы на океанской глади измерили рябь высотой в доли миллиметра. Эта микроскопическая неоднородность запечатлена в реликтовом излучении и рассказывает о самом начале времён.

В тесной двойной системе горячая звезда, словно прожектор, освещает своего более холодного спутника. Часть света рассеивается на свободных электронах в его атмосфере — это томсоновское рассеяние — и приобретает линейную поляризацию. По мере того как звёзды движутся по орбите, эта поляризация разворачивается, подобно стрелке причудливого космического метронома.

Капля холодного гелия пролетает в опасной близости от чёрной дыры. Это не просто капля — это мёртвая звезда размером с Землю, но с массой, сравнимой с солнечной.

Самый древний свет во Вселенной летит к нам почти 14 миллиардов лет. Он родился, когда космос только стал прозрачным, и с тех пор его плоскость колебаний едва заметно поворачивается. Причина — невидимый океан, пронизывающий всё пространство: поле тёмной энергии, которое заставляет Вселенную расширяться всё быстрее.

Вокруг невидимого костра кружится светящийся газ. Сам костёр скрыт, но его очертания угадываются по тому, как пляшет пламя. Примерно так астрономы «видят» чёрные дыры — не сам объект, а раскалённое вещество, которое перед падением в бездну разгоняется до огромных скоростей и светится.

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

Детекторы гравитационных волн работают как чуткие микрофоны, улавливающие дрожь пространства от далёких космических катастроф. После того как две чёрные дыры сливаются в одну, новорождённый объект звенит, словно колокол, и этот звон — уникальный «голос» гравитации.

Если смотреть на карту далёких галактик, она не идеально ровная: в одной стороне неба их чуть больше, в другой — чуть меньше. Этот перекос заметили в нескольких обзорах неба, и он не похож на случайность. Обычно его объясняют тем, что наша Галактика сама куда-то летит, и из-за этого далёкие объекты кажутся смещёнными. Но измерения не всегда сходятся с этим простым объяснением.

Капля металла на полупроводнике — как остров в море. Электрон, чтобы попасть на этот остров, должен заплатить «пошлину»: преодолеть барьер, который возникает из-за того, что остров крошечный, и каждый лишний заряд сильно меняет его энергию. Это явление называют кулоновской блокадой. Оно лежит в основе одноэлектронных транзисторов, где ток течёт по одному электрону.

Вселенная в первые мгновения напоминала тесто, которое то стремительно поднимается, то на секунду замирает. В эти короткие рывки — их называют расширением с перерывами — даже крошечные магнитные поля могли вырасти, как пузырьки в хорошо взбитом тесте.

Свет от звезды HD 163296 проходит сквозь окружающий её газопылевой диск, как луч фонарика сквозь мутную воду. Частицы диска рассеивают свет, и он приобретает особое свойство — поляризацию: волны начинают колебаться в одной плоскости, словно верёвка, которую встряхивают строго вверх-вниз.

Свет от далёких галактик проходит через линзы телескопа, как через стопку оконных стёкол. Каждое стекло покрыто тонкой плёнкой, чтобы меньше бликовать. Но эта плёнка работает как поляризационный фильтр: одна составляющая световой волны проходит чуть свободнее, другая — чуть хуже. В результате волна слегка поворачивается, и телескоп видит не ту картину, что была в небе.

В привычном нам мире три пространственных измерения. Однако теоретическая физика допускает существование дополнительных, скрытых от прямого наблюдения направлений — компактифицированных, то есть свёрнутых до микроскопических размеров.

В 1936 году два физика, Вернер Гейзенберг и Ганс Эйлер, сидя над уравнениями квантовой электродинамики, обнаружили нечто странное. В достаточно сильном магнитном поле вакуум должен перестать быть пустым. Он должен стать похожим на кристалл: свет одной поляризации пойдёт в нём чуть быстрее, свет другой — чуть медленнее. Это явление назвали вакуумным двулучепреломлением.

Телескоп ACT в чилийской пустыне Атакама всматривался в небо с 2007 по 2022 год. Его цель — реликтовое излучение, свет, который путешествует к нам 13,8 миллиарда лет. Этот свет поляризован: волны колеблются в определённых плоскостях, как струны, натянутые в разных направлениях. В идеально симметричной Вселенной эти плоскости оставались бы неизменными.