космическая лестница расстояний

Шесть бегунов мчатся по дорожке, и судьи замеряют их скорость, не замечая попутного ветра. Ветер дует всем в спину, и секундомеры показывают результат лучше истинного. Примерно так шесть мегамазеров — естественных космических лазеров в далёких галактиках — ввели в заблуждение астрономов, измерявших скорость расширения Вселенной.

Измерять расстояния во Вселенной — задача не из лёгких. Почти все способы опираются на свет, а он по дороге к нам может поглощаться пылью, рассеиваться или искажаться. Это всё равно что пытаться разглядеть далёкий маяк сквозь туман и дымку. Нейтрино — совсем другое дело. Эти частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом, проходят сквозь что угодно, не замечая преград.

Космический рассвет скрыт от нас плотной завесой времени. Заглянуть за неё можно, если поймать радиосигнал от облаков нейтрального водорода — тот самый глобальный сигнал на длине волны 21 см, реликт эпохи, когда первые звёзды ещё только зажигались. Но он настолько слаб, что его заглушает собственный шум приёмника.

Четыре слабых штриха на снимке — всё, что видит астроном. Так скульптор по четырём теням восстанавливает форму невидимого стекла. Около ста лет назад Альберт Эйнштейн предсказал, а Фриц Цвикки предложил использовать гравитационные линзы — естественные телескопы из тёмной материи, усиливающие свет далёких…

Семейное древо превращается в клубок, если учесть приёмных детей и повторные браки. Эволюция часто похожа на такой клубок: хотя стандартная модель — традиционное представление о дивергентной эволюции, где виды ветвятся подобно дереву — рисует аккуратное древо видов, на деле гены кочуют не только по наследству, но и напрямую между неродственными организмами — этот…

Вселенная звучит тишиной. Львиная доля материи — около 85% — остаётся невидимой, проявляясь лишь через гравитацию. Ещё Вера Рубин показала, что галактики вращаются так, будто их окутывает незримая масса.

Современная космология попала в диссонанс. Локальные измерения постоянной Хаббла по сверхновым и цефеидам дают около 73 км/с/Мпк, тогда как глобальные ограничения из реликтового излучения в рамках стандартной ΛCDM-модели указывают на 67 км/с/Мпк.

Космологический спор напоминает ситуацию, когда два мастера меряют одну и ту же стену, но получают разную длину. Один использует рулетку, прикладывая её к ближайшим ориентирам — цефеидам (пульсирующим звёздам-маякам) и сверхновым типа Ia (вспышкам умирающих звёзд). У него выходит, что стена растягивается со скоростью 73.5 условных единиц.

Космологический оркестр настраивается не по одному камертону. Есть две группы инструментов: одни слушают гул молодого мироздания — реликтовое излучение, другие считывают ноты со зрелых галактик и сверхновых. Десятилетиями обе группы пытались сыграть унисон — определить, с какой скоростью разлетаются галактические архипелаги.

Свет далёкой галактики летит к нам через всю Вселенную, минуя огромные сгустки тёмной и обычной материи. Их притяжение слегка искривляет путь лучей — словно течение реки огибает невидимые валуны. На снимках это проявляется как едва заметная вытянутость изображений галактик, будто их растянули на невидимой раме.

Вселенную можно представить как густой лес: вблизи мы различаем отдельные деревья-галактики, собранные в группы и скопления — своего рода рощи, но издалека всё сливается в сплошную зелень. Грань, за которой космос становится однородным, называют угловым масштабом однородности — это минимальный угловой размер участка неба, начиная с которого галактики распределены равномерно, без заметных сгущений.

Межзвёздное пространство — не космическая пустыня, а сверхскоростная автострада. Триллионы астероидов и комет из других систем мчатся мимо нас, но телескопы-камеры ловят лишь единицы. Представьте ночное шоссе: фары далёкой машины ярко вспыхивают, но если она проносится слишком быстро, затвор камеры не успевает щёлкнуть.

Классический оптический дальномер действует подобно человеку, который в пустоте издаёт крик и вслушивается в эхо: прибор испускает одиночный световой импульс и регистрирует время его возвращения.

Камень падает в колодец, и всплеск доходит до ушей с задержкой. Что-то похожее происходит со светом, когда он улетает от Земли: его колебания становятся реже, луч словно «устаёт». Это гравитационное красное смещение — явление, о котором сто лет назад говорил Эйнштейн. Массивная планета замедляет само время, и свет это чувствует.

Эдвин Хаббл и Жорж Леметр почти век назад заложили основы концепции расширения Вселенной — процесса, при котором само пространство между галактиками непрерывно растягивается.

На окраине Солнечной системы, далеко за Нептуном, кружат сотни ледяных глыб. Некоторые из них движутся так, будто кто-то невидимый выровнял их орбиты, как стрелки компаса. Десять лет назад это навело астрономов на мысль: там прячется массивная планета, раз в десять тяжелее Земли. Но у старых подсчетов была слабость: телескопы смотрят не на все небо одинаково.

Тёмная комната, в воздухе плавает пыль. Вспыхивает яркий фонарь — и пылинки загораются, выдавая своё место. Похожий приём астрономы применили к нашей Галактике. Фонарём послужили гамма-всплески — мощнейшие взрывы в далёких галактиках, а пылинками — облака межзвёздной пыли.

Астрономы время от времени фиксируют межзвёздные объекты — каменные глыбы или кометные ядра, прибывшие из других звёздных систем. Большинство из них выглядят заурядно, но некоторые ставят в тупик необычной формой, аномальной скоростью или переменным блеском.

Вселенная ведет учет каждому новорожденному светилу. За 13,8 миллиарда лет в галактиках зажглось столько звезд, что по их «переписи» можно судить о характере самого космоса — как по годовым кольцам дерева судят о климате прошлых лет.

В скоплениях галактик невидимая тёмная материя служит каркасом, удерживающим звёздные системы вместе. Её форму выдаёт тусклое сияние — звёзды, вырванные из галактик приливными силами. Этот звёздный «бульон» заполняет скопление, словно жидкость, принимающая форму сосуда: он обволакивает сгустки тёмной материи, создавая точный слепок их очертаний.

Свет от далёких галактик проходит через скопления вещества, и гравитация этих скоплений слегка искривляет его путь, как линза. По тому, насколько сильно искажаются изображения далёких галактик, можно судить о распределении вещества и о том, как гравитация влияет на свет.

Ночью небо не бывает абсолютно чёрным. Даже вдали от городов верхние слои атмосферы слабо светятся: солнечный свет заставляет атомы водорода испускать красноватое свечение, которое астрономы называют геокорональной эмиссией. Для телескопа это как запотевшее стекло: оно добавляет лишний свет и мешает разглядеть далёкие галактики.

Космологическое сообщество уже несколько лет живёт в состоянии тихой гражданской войны. Два лагеря меряют скорость расширения Вселенной и получают разные ответы. Планк, вглядываясь в реликтовое излучение, говорит: 67.4 км/с/Мпк. SH0ES, карабкаясь по лестнице расстояний от цефеид к сверхновым, настаивает: 73.2.

Настройка оркестра без дирижёра: алгоритм сам выбирает, какие инструменты (базисные функции) и с какой громкостью (весами) должны звучать, чтобы воспроизвести гравитационную симфонию Земли. Два спутника GRACE-FO летят друг за другом на высоте 500 километров и непрерывно меряют, как меняется расстояние между ними.