космический рассвет

Три шкафа с камнями. В одном — металлические крупицы и серый минерал энстатит, во втором — те же крупицы, но с ржавыми прожилками, в третьем — слоистые глины, набухшие от воды. Все три набора достали из метеоритов, упавших на Землю, — хондритов. Они родились в одном газопылевом диске вокруг молодого Солнца, но почему-то вышли такими разными.

В июле 1969 года, когда «Аполлон-11» летел к Луне, астронавты заметили нечто необычное: короткие вспышки света, которые появлялись даже с закрытыми глазами. Сначала это списали на усталость, но вспышки повторялись у разных экипажей. Постепенно стало ясно: виноваты космические лучи — поток заряженных частиц, летящих сквозь космос с огромной скоростью.

В первые полмиллиарда лет после Большого взрыва галактики росли как на дрожжах. Газ стремительно падал в них и схлопывался в звёзды, не встречая сопротивления. Этот период называют «беспрепятственным звездообразованием». Всё равно что жарить блины на раскалённой сковороде без крышки: брызги летят, но никто их не сдерживает.

Кипящая вода в кастрюле — вот с чего стоит начать. Пузыри пара всплывают, лопаются, и поверхность успокаивается. Примерно так же в первые мгновения жизни Вселенной могло вести себя особое поле, заполнявшее пространство: в нём надувались и сталкивались пузыри новой фазы — как островки пара в жидкости.

Два города пережили череду пожаров. В одном ветер разносит пепел далеко за окраины, и небо остаётся чистым. В другом — пепел оседает плотной завесой, окрашивая закаты в багровый. Примерно так же, только в масштабах галактик, работают взрывы сверхновых — финальные вспышки массивных звёзд.

Три невидимые струны колеблются в межгалактической пустоте. Это не поэзия, а гипотеза о природе тёмной материи — сверхлёгком квантовом поле со спином 1, несущем три поляризации.

В первые мгновения после Большого взрыва космическое нарушение симметрии разделило горячую плазму на области с разными вакуумами — наинизшими энергетическими состояниями поля.

Две тысячи лет назад в созвездии Эридана сиял яркий маяк, занесённый в реестры античных астрономов. Гиппарх во 129 году до н.э. записал его как звезду первой величины, Птолемей в «Альмагесте» подтвердил её блеск, а персидский учёный ас-Суфи в 964 году всё ещё видел её среди ярчайших. Но к началу XVII века Акамар, Тета Эридана, превратился в заурядную точку, которую можно разглядеть только в ясную ночь.

Ранняя Вселенная пережила стремительное раздувание — инфляцию. За ничтожные доли секунды крошечные квантовые дрожания растянулись до размеров галактик и стали зародышами всей крупномасштабной структуры.

Звёзды зарождаются в холодных молекулярных облаках, состоящих из космической пыли и водорода. Внутри этих плотных коконов скрыты протозвёзды — ядра будущих светил, которые долгое время считались просто горячими сгустками вещества.

Огромный город каждую ночь зажигает новые фонари. Но однажды налетает ураган, срывает со складов всё топливо, и фонари гаснут один за другим. Нечто похожее астрономы разглядели в галактике, свет от которой шёл к нам 12,5 миллиардов лет. Это массивная система, где звёзды рождались с бешеной скоростью — и тут же запускали механизм собственного уничтожения. В центре сюжета — галактический ветер.

Массивная звезда заканчивает жизнь грандиозным обвалом: ядро сжимается в нейтронную звезду или чёрную дыру, а внешние слои разлетаются ослепительной сверхновой.

Вселенная звучит. Не в привычном смысле — её симфония записана в крошечных перепадах плотности, из которых выросли галактики и мы сами. После Большого взрыва пространство было почти однородным, но квантовые флуктуации во время инфляции оставили едва заметный узор — где-то вещества чуть больше, где-то меньше.

Происхождение горячего Большого взрыва — одна из величайших загадок. Привычная картина: после инфляции поле инфлатона передаёт энергию обычным частицам, разогревая Вселенную. Однако тёмная материя и тёмная энергия подсказывают, что у природы есть скрытые секторы.

Вселенная расширяется, и в её истории есть два удивительных эпизода, которые пока не укладываются в простую картину. Первый — короткий период в молодости, когда всё разлеталось быстрее, чем ожидалось, словно кто-то нажал педаль газа. Второй — сегодняшнее ускорение, будто та же педаль снова утоплена, но уже мягче.

Улица, где только что построили дома. Одни сияют чистыми окнами, другие затянуты строительной пылью. Примерно так выглядели галактики, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет. Новый телескоп «Джеймс Уэбб» заглянул в ту эпоху и увидел десятки ярких звездных островов. Удивило не их количество, а то, какими разными они оказались.

Крошечная чёрная дыра — не больше атомного ядра — парит в облаке водорода. Она не заглатывает всё вокруг, а медленно истекает излучением, худея с каждым мгновением. Так кастрюля на плите закипает не сразу: сначала по дну бегут пузырьки, потом вода бурлит всё сильнее.

Телескоп JWST зарегистрировал в молодой Вселенной множество ярких галактик. Их ультрафиолетовое излучение почти не поглощалось космической пылью – мельчайшими твёрдыми частицами, рассеянными в межзвёздном пространстве, – вопреки прежним ожиданиям.

Аксионы — гипотетические элементарные частицы, введённые в теорию Роберто Печчеи и Хелен Квинн в 1977 году для разрешения так называемой сильной CP-проблемы в Стандартной модели физики частиц.

В саду, где первые же цветы не просто распускаются, а тут же роняют семена далеко за ограду, есть что-то невероятно щедрое. Похожее происходило в юной Вселенной. Галактики, возникшие спустя каких-то 500–700 миллионов лет после Большого взрыва, уже были окружены газом, полным углерода, кремния и кислорода — элементов, которые рождаются только внутри звёзд.

Старинный сундук с семейными реликвиями открывается — и внутри лежат украшения, которые считались ровесниками прабабушки. Но вдруг выясняется: золото переплавляли, камни огранивали заново, и случилось это гораздо позже, чем думали. Похожая история приключилась с древнейшими частицами в метеоритах — кальциево-алюминиевыми включениями, или CAI.

После Большого взрыва космос заполнила смесь нейтральных газов — преимущественно водорода и гелия. Эта холодная материя окутала Вселенную, словно плотный утренний туман, непроницаемый для излучения. Наступила эпоха, называемая Тёмными веками.

Свет далёкого квазара — яркого ядра галактики — проходит мимо массивной галактики и искривляется, как луч фонарика через неровное стекло. Если линза и источник выстроены почти идеально, мы видим не один квазар, а несколько его копий.

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.

Тёмная материя — невидимая субстанция, удерживающая галактики от разлёта под действием центробежных сил. Если гипотетические частицы тёмной материи изредка распадаются вблизи Солнца, они выбрасывают потоки быстрых частиц — словно невидимые молоты, бьющие по свету.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой квантовый вакуум, где спонтанно рождались и почти сразу аннигилировали пары частиц и античастиц — виртуальных «гостей» из физического ничто.

На заре Земли, около четырёх миллиардов лет назад, планета была суровым местом: тусклое солнце, частые удары астероидов, воздух без кислорода. В таких условиях первые шаги жизни кажутся почти невозможными. Но есть гипотеза, что жизнь укрылась в тёплых мелких прудах, где вода то высыхала, то вновь наполнялась.

Свет от далёкой галактики летел к нам 13,4 миллиарда лет. Телескоп Джеймса Уэбба поймал его и разложил на цвета. В спектре видна яркая линия водорода — как отпечаток пальца, который говорит: галактика GS-z13-1-LA активно рождает звёзды. Молодые горячие звёзды внутри галактики работают как прожекторы.

Задолго до появления звёзд Вселенная была заполнена холодным водородом. Этот газ умеет «петь» — испускать радиоволны длиной 21 сантиметр. Когда зажглись первые звёзды и галактики, их ультрафиолетовый свет стал отрывать электроны от атомов водорода, превращая нейтральный газ в ионизированный.

Первые звёзды зажглись из облаков, в которых не было ничего, кроме водорода и гелия. Тяжёлые элементы — углерод, кислород, железо — появились позже, внутри звёзд. Но среди тех первенцев могли быть и лёгкие звёзды, массой чуть меньше Солнца. Такие живут очень долго, миллиарды лет, и могли дожить до наших дней.

Ночное небо кажется тёмным, но на самом деле оно заполнено слабым свечением. Большая часть этого света рождается в невидимых облаках холодного газа — того самого, из которого появляются новые звёзды. Этот газ почти не излучает, поэтому его трудно заметить. Но иногда он выдаёт себя радиоволнами, которые испускают молекулы угарного газа (CO).

Печь, в которой когда-то пекли первые звёзды, давно остыла, но крошки от того хлеба остались. Эти крошки — атомы углерода, разбросанные по поверхности старых звёзд в крошечных галактиках-спутниках Млечного Пути. Такие галактики называют ультра-тусклыми карликами: в каждой всего несколько тысяч звёзд, и светят они едва заметно.

В холодных облаках межзвёздного газа углерод прячется в молекулах угарного газа (CO), как сахар, растворённый в чае. Но рядом с горячими массивными звёздами этот «чай» вскипает: жёсткое излучение разрывает молекулы, и углерод выходит наружу одиночными атомами или ионами.

Через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва Вселенная напоминала бескрайний тёмный океан, затянутый густым туманом из нейтрального (неионизированного) водорода. Затем что-то рассеяло мглу: ультрафиолетовое излучение выбивало электроны из атомов, делая газ прозрачным, как чистая вода.

Массивное скопление галактик работает как гигантская гравитационная линза: его чудовищная тяжесть искривляет ткань пространства-времени, и свет далёких объектов, огибая этот прогиб, усиливается и расщепляется на множественные изображения.

Анализируя цветовые метки — соотношение яркости в разных спектральных диапазонах на снимках космического телескопа «Джеймс Уэбб», астрономы выявили галактики, свет которых резко обрывается в ультрафиолетовой области.

Солнце своей гравитацией создаёт невидимый «бокал», в котором тёмная материя особого сорта — ультралёгкая — не плещется хаотично, а занимает строгие энергетические ступени, будто прозрачные слои жидкости разной плотности.

После Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую, плотную среду. В сгустках тёмной материи — загадочного невидимого вещества, проявляющего себя исключительно через гравитацию, — частицы, сталкиваясь, аннигилировали, то есть исчезали, преобразуясь в мощное излучение.

Космический телескоп Джеймса Уэбба заглянул во времена, когда после Большого взрыва Вселенная насчитывала всего миллиард лет, и нашёл галактику-«Соню». В отличие от соседок, сиявших молодыми звёздами, она выглядела уставшей и тусклой.

Наша Вселенная пребывает в состоянии ложного вакуума — это метастабильная конфигурация поля, подобная воде, удерживаемой плотиной. За этим барьером скрывается истинный вакуум — бездна с иными законами физики.