измерение космических расстояний

Космологическая стандартная модель — это фундаментальная теоретическая схема, описывающая эволюцию Вселенной, — похожа на рецепт пирога, где всё строго отмерено: тёмная материя — гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитных взаимодействиях, — как мука без комочков (давление ноль), а тёмная энергия — загадочная субстанция…

Гравитационная волна — это колебание самой ткани пространства-времени, порождённое, например, слиянием чёрных дыр. Представьте её как звон колокола в ночи: по громкости можно судить о расстоянии до источника.

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.

В 1998 году физики поймали нейтрино на удивительном: частица меняет свой тип на лету. Такое возможно, только если у неё есть масса. Это стало единственным лабораторным доказательством физики за пределами Стандартной модели. Но сколько именно весит нейтрино — до сих пор загадка.

Космология попала в интересную переделку. Два главных способа заглянуть в прошлое Вселенной — по раннему свечению (реликтовому излучению) и по более поздним объектам вроде сверхновых — выдают разные числа для скорости расширения (постоянной Хаббла) и для того, насколько комковато разбросано вещество.

Нейтронная звезда — это бывшее ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. Чайная ложка её вещества весит как гора. Но внутри этого сверхплотного шара может скрываться сюрприз: под немыслимым давлением нейтроны распадаются на кварки, и звезда получает новое, более компактное ядро.

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.

Предсказанные Альбертом Эйнштейном гравитационные волны — это маяки в тёмном океане космоса. Они вспыхивают при столкновении чёрных дыр и пронизывают Вселенную рябью пространства.

Прожектор бьёт прямо в глаза, а в паре шагов от него мерцает крошечный светлячок. Примерно так выглядит охота за землеподобной планетой у соседней звезды: планета в сто миллионов — десять миллиардов раз тусклее своей звезды, и на небе они почти сливаются в одну точку. Свет звезды забивает слабый планетный отблеск, делая обычные телескопы беспомощными.

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.

В галактическом балдже, где свет миллиардов звёзд сливается в сплошное сияние, четыре холодных гиганта прошли незамеченными. Их не увидеть в телескоп — слишком далеко, слишком тускло.

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.

В конце 1990-х звёздное небо преподнесло сюрприз: Сол Перлмуттер и Адам Рисс обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. С тех пор главной загадкой остаётся тёмная энергия — субстанция, составляющая почти 70% космоса, но ускользающая от лабораторного изучения.

Вселенная — огромный оркестр, исполняющий партитуру расширения. Галактики разбегаются в такт неслышной музыке тёмной энергии. Но вот беда: дирижёрская палочка, которую держат Эдвин Хаббл, Адам Рисс и Вера Рубин, задаёт два несовместимых темпа.

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.

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.

Воздушный шарик надувают. Сначала он раздувается быстро, потом медленнее, а потом вдруг — снова быстрее, словно кто-то подкачал насос. Именно это, похоже, происходит с нашей Вселенной. Астрономы из коллаборации Dark Energy Survey (DES) заглянули в прошлое космоса с помощью двух «линеек»: звуковых волн ранней Вселенной и взрывов сверхновых.

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.

Вселенная устроена как губка: в ней есть плотные области, набитые галактиками и газом, и гигантские поры — космические пустоты. Эти пустоты занимают большую часть пространства, но их содержимое оставалось загадкой — вещество там почти не проявляет себя.

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

Нейтрино — самые распространённые частицы с массой во Вселенной. Эти «частицы-призраки» почти не взаимодействуют с веществом: триллионы проходят сквозь нас каждую секунду, не оставляя следа. Их совокупное гравитационное притяжение, хоть и чрезвычайно слабое, способно влиять на движение целых галактик.

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.

Если взять два тяжёлых шара и разнести их на метр, они притянутся с силой, которая слабеет в четыре раза при удвоении расстояния. Этот закон открыл Ньютон, и он работает в комнате, в Солнечной системе, в галактике. Но сохраняется ли он, когда речь идёт о сотнях миллионов световых лет? Астрономы нашли способ проверить это напрямую.

Взрыв массивной звезды — событие яркое, но короткое. Сама вспышка длится недели, а вот нагретая ею пыль вокруг светится в инфракрасных лучах ещё долгие годы. Это как если бы вспышка фотоаппарата осветила комнату, а потом ещё долго тлели бы раскалённые пылинки в воздухе — только в космических масштабах.

Космологи измерили, с какой скоростью разбегаются далёкие галактики в разных уголках неба. Для этого они взяли два вида «космических линеек»: скопления галактик и взрывы сверхновых определённого типа. Оба способа показали одно и то же: в одном направлении Вселенная расширяется чуть быстрее, чем в противоположном.

Если пространство — холст, то мазки на нём не могут быть бесконечно тонкими. Существует мельчайший отрезок, короче которого нет смысла измерять, — фундаментальная длина, задающая квантовую «зернистость» пространства-времени. Эта дискретность меняет саму геометрию: движение галактик и рост крупномасштабных структур отражают её влияние.

Когда массивная звезда взрывается, её остатки разлетаются в стороны, как осколки фейерверка. Но как понять, насколько далеко от нас произошёл такой взрыв? Астрономы нашли способ: они смотрят на облака газа, с которыми сталкиваются эти остатки. Идея проста. Вокруг остатков сверхновых часто есть облака холодного молекулярного газа.

Свет от далёкой звезды летит к нам миллиарды лет, и за это время Вселенная успевает расшириться. Как проверить, что мы правильно понимаем этот путь?

Свет уличного фонаря, проходя сквозь жалюзи, мерцает: полоски движутся, и яркость то растёт, то падает. По этому ритму можно догадаться, насколько широк сам фонарь. Примерно так работает новый метод измерения звёзд: вместо того чтобы ловить чёткое изображение, астрономы следят за «мерцанием» света, собранного двумя или несколькими телескопами одновременно.

Измерение расширения Вселенной напоминает попытку засечь время забега на беговой дорожке, которая сама растягивается.

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

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.

Два метода измерения скорости расширения Вселенной дают противоречивую картину. Измерения по вспышкам сверхновых, выполненные командой Адама Рисса, показывают более быстрое расширение, чем данные по реликтовому излучению — свету, оставшемуся после Большого взрыва.

Космические лучи — это заряженные частицы, которые летят к нам из глубин Галактики. Если построить график: сколько частиц прилетает с каждой энергией, — линия идёт ровно, а потом вдруг резко падает. Такие перегибы называют «коленями».