космическая пыль

В кольцевом канале между двумя зубчатыми кольцами висят микросферы: одни радиусом 8 микрометров, другие 14. Включается разряд, и частицы приходят в движение. Мелкие едут в одну сторону, крупные в другую. Словно в торговом центре, где для людей разного роста работают эскалаторы, движущиеся навстречу друг другу.

Нить космической паутины тянется через молодую Вселенную, и на ней, как бусины на ожерелье, нанизаны галактики. В ядре протокластера SSA22, который через миллиарды лет станет центром массивного скопления, эти бусины ещё горячие и пыльные: внутри них рождаются звёзды, а холодный газ служит топливом.

Туманность Тарантул — гигантский звёздный питомник в соседней галактике. Там рождаются сотни тысяч звёзд, а их свет подсвечивает облака пыли. Эта пыль светится в инфракрасном диапазоне, и в её спектре видны загадочные полосы. Долгое время астрономы спорили, какие именно молекулы их создают.

В южном небе, за плотной завесой космической пыли, прячется источник гамма-лучей — самого энергичного света во Вселенной. Он светит так ярко, что его излучение пробивается даже сквозь эту завесу, но сам объект остаётся невидимым для оптических телескопов. Астрономы направили на соседние облака газа радиотелескоп ALMA и увидели узор, который выдал невидимку.

Свет далёкой галактики пробивается к нам сквозь собственную пыль. Пыль эта — не ровный туман, а рваные облака, похожие на клочья ваты. Старые модели считали её однородной дымкой, и тогда галактика не сходилась по энергии: слишком много света пропадало в ультрафиолете и слишком мало возвращалось в инфракрасном. Астрономы поступили как повар, который вместо целой картофелины кладёт в суп кубики.

Ночное небо полно обманчивых огней. Астрономы искали галактики, которые зажглись в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва, — их свет шел к нам почти 13 миллиардов лет. Шесть тусклых пятнышек выбрали по снимкам космических телескопов «Хаббл» и «Спитцер».

В самых холодных и тёмных уголках космоса микроскопические пылинки покрываются льдом, как окно в морозный день. Этот лёд — не просто замёрзшая вода: в его состав входят угарный газ (CO) и углекислый газ (CO₂). Именно из такого льда впоследствии могут сформироваться кометы и планеты.

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.

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.

Ночное небо кажется спокойным, но на самом деле сквозь нас постоянно пролетают невидимые частицы — космические лучи. Среди них есть электроны и их античастицы — позитроны. Когда они сталкиваются с детекторами на спутниках или воздушных шарах, приборы фиксируют их энергию.

Когда в галактике рождаются звёзды, их ультрафиолетовое излучение возбуждает атомы водорода, заставляя его светиться — как неоновая вывеска, но в космических масштабах. Этот свет мог бы многое рассказать о темпе звездообразования, но по пути к нам он проходит сквозь космическую пыль — микроскопические твёрдые частицы.

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.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная напоминала кипящий котёл — сверхплотную, горячую плазму элементарных частиц. Согласно одной из гипотез, именно в этой среде могла родиться тёмная материя — невидимое вещество, которое своим гравитационным притяжением удерживает галактики от развала.

Рассмотрим однородное сферическое облако космической пыли, которое начинает сжиматься под действием собственной гравитации. По классическим законам общей теории относительности такое облако неизбежно сколлапсировало бы в точку бесконечной плотности — сингулярность, где уравнения поля перестают работать.

В тёмных межзвёздных облаках, где рождаются новые звёзды, химия начинается с крошечной частицы — иона триводорода (H₃⁺). Этот ион, состоящий из трёх протонов и двух электронов, сталкивается с другими атомами и запускает каскад реакций, которые строят всё более сложные молекулы.

Радиотелескоп с пятисотметровой тарелкой FAST зарегистрировал сигнал на длине волны 21 сантиметр — это спектральная линия излучения холодного нейтрального водорода. Сигнал исходил от облака, получившего название Cloud-9. Оно находится вблизи галактики M94, но не содержит ни одной звезды.

Космические лучи — это не электромагнитное излучение, а поток заряженных частиц, в основном протонов и атомных ядер, которые бомбардируют Землю со всех сторон с энергиями от скромных до фантастически огромных.

В марте 2023 года космический телескоп Джеймс Уэбб навёл свои инструменты на короткопериодическую комету 81P/Вильда 2 — небесное тело с радиусом ядра около 1,77 км.

Вокруг молодой звезды, только начинающей свою термоядерную жизнь, вращается вихрь пыли и газа — протопланетный диск. Он растёт, аккрецируя (собирая) вещество из окружающего молекулярного облака.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой раскалённый «суп» из элементарных частиц. По мере остывания в этом первичном бульоне происходили фазовые переходы — подобно тому, как вода замерзает в лёд при падении температуры.

В печи звездообразования жар достигает 900 градусов — как в раскалённой доменной печи. Именно в таком пекле рождаются космические кристаллы. Астрономы впервые зафиксировали момент, когда кристаллическая пыль появляется непосредственно во время аккреционной вспышки у очень молодой звезды EC 53, ещё укутанной в плотный газовый кокон.

В чёрных глубинах космоса, на поверхности крошечных ледяных пылинок, идёт своя тихая стройка. Там, где температура падает почти до абсолютного нуля, а вокруг — жёсткое излучение, обычная аминокислота глицин (простейший белковый кирпичик) соединяется сама с собой.

В тёмной комнате звучит музыка. По полу рассыпана пудра — мелкая, почти невидимая. Низкие частоты заставляют её собираться в причудливые узоры: нити, сгустки, пустоты. Примерно так же гравитация за миллиарды лет сплетает галактики в космическую паутину — только вместо звуковых волн здесь работает притяжение.

Атмосфера Юпитера напоминает многослойный пирог, где каждый слой играет свою роль. Учёные объединили данные сразу с четырёх приборов — VLT/MUSE, Cassini/VIMS, IRTF/SpeX и Juno/JIRAM — и построили модель облаков и аммиака в экваториальной зоне планеты, охватывающую диапазон давлений от 0,1 до 10 бар (для сравнения, давление на дне Марианской впадины — около…

Диск из газа и пыли вращается вокруг молодой звезды HV Tau C почти ребром к нам. Телескоп Джеймса Уэбба заглянул в его спектр и заметил свечение горячего молекулярного водорода (H₂) — частиц, состоящих из двух атомов водорода. Оно выдало широкий двусторонний ветер, который бьёт из внутренних областей далеко за пределы диска.

В первые доли секунды после Большого взрыва Вселенная была ареной стремительных перемен. Представьте натянутую резиновую пленку, которая быстро остывает и покрывается микроскопическими трещинками. Похожий процесс в космическом масштабе мог породить космические струны — тончайшие, но сверхплотные нити энергии, протянувшиеся через всю Вселенную.

Быстрый радиовсплеск — короткая, но чрезвычайно энергичная вспышка в радиодиапазоне, приходящая из далёкого космоса. На пути к Земле сигнал пересекает облака разреженного газа, и чем больше вещества встречается на луче зрения, тем сильнее низкочастотные компоненты запаздывают относительно высокочастотных.

26 сентября 2022 года зонд DART на скорости 6,6 км/с врезался в астероид Диморф. В космос ударил фонтан обломков. Камни, пыль, песчинки — всё взметнулось в безмолвной вспышке. Два года спустя численное моделирование 20 миллионов траекторий раскрыло судьбу каждой частицы. 93,5% выбросов покинули систему навсегда.

На юге Индии, в городе Мадурай, с 2018 по 2022 год стоял необычный «ловец» космических частиц — прототип mini-ICAL массой 85 тонн. Это уменьшенная в 600 раз версия будущего детектора нейтрино (неуловимых частиц-призраков), который построят глубоко под землёй.

В 2008 году телескоп Spitzer направил взгляд на звезду HD 15407A и зафиксировал мощный инфракрасный избыток. Через 15 лет, в 2023-м, JWST повторил измерения. Свет пыли померк на 14%. Но сам минеральный состав пыли остался прежним — как отпечаток пальца, снятый в разные годы. Этот отпечаток не стирается, даже когда диск медленно гаснет.

Скорость 7,5 километра в секунду — пограничная черта, за которой космическое столкновение превращает пылинки в химический реактор. В межзвёздной среде носятся крошечные пылевые зёрна — наследие умирающих звёзд.

Звезда AB Aur — молодая, ей около 4 миллионов лет. Вокруг неё кружится плотный газопылевой диск. Недавно в него врезался длинный газовый рукав — поток вещества из окружающего облака. Астрономы направили на этот диск радиотелескоп NOEMA и увидели, что химия в нём неодинакова: северная часть пахнет серой, а южная — углеводородами. На севере, куда ударил падающий рукав, много молекул SO (оксид серы).

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.

Тёмную материю не видят в телескопы, но её гравитацию полвека назад выдала Вера Рубин. С тех пор физики перебрали десятки гипотез, и одна из самых элегантных — первичные чёрные дыры, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва.

В 2016 году астрономы увидели невероятное: далёкая звезда, названная Икаром, на несколько недель вспыхнула, преодолев бездну пространства. Сработало гравитационное линзирование — эффект, предсказанный Эйнштейном: массивный объект искривляет пространство-время и фокусирует свет, словно гигантская лупа.

Луна — безвоздушный шар из плотной каменной крошки, которую называют реголитом. Когда из космоса в неё врезаются быстрые частицы, в грунте рождаются мюоны — нестабильные родственники электронов, только в двести раз тяжелее. Большинство летит вниз и гаснет в толще. Но те, что выскакивают вверх, в вакуум, успевают пролететь десятки километров, прежде чем распасться.

Тёмная материя — невидимый архитектор Вселенной, удерживающий галактики от разлёта. С лёгкой руки Фрица Цвикки и Веры Рубин мы знаем: обычного вещества в космосе — лишь ничтожная примесь. Но что скрывается за этим тёмным веществом?

Около некоторых молодых звёзд, где недавно завершилось звездообразование, кружатся не просто пылевые кольца, а настоящие поля планетных битв — экстремальные обломочные диски.

Когда планета-гигант растёт, она втягивает в себя газ. Часть этого газа закручивается вокруг неё в маленький диск — его называют околопланетным диском. Именно в таких дисках, как считается, появляются спутники. У планеты PDS 70 c, которая находится в 370 световых годах от нас, такой диск увидели напрямую с помощью антенной решётки ALMA в миллиметровом диапазоне.