измерение реликтового излучения

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.

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.

Космологи оказались в парадоксальной ситуации: два мощных наблюдательных инструмента — карта реликтового излучения (древнего света, оставшегося после Большого взрыва) и карта крупномасштабного распределения галактик — рисуют слегка несогласованные портреты одной и той же Вселенной.

Вселенная похожа на огромный невидимый каркас. Мы не видим его напрямую, но знаем, что он есть: галактики и скопления держатся вместе именно благодаря ему. Этот каркас — тёмная материя, гипотетическая форма материи, не испускающая и не поглощающая свет, но проявляющая себя через гравитацию.

264 километра в секунду — с такой скоростью Солнечная система проносится сквозь облако тёмной материи. Его существование выдали галактики: они вращались слишком быстро, чтобы их удерживала видимая масса, и Вера Рубин первой заподозрила скрытый каркас.

Спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что свет отделился от плазмы. Это реликтовое излучение до сих пор пронизывает космос — как первый аккорд симфонии, отзвук горячего начала.

Телескоп «Джеймс Уэбб» заглянул в эпоху, когда Вселенной было меньше миллиарда лет, и увидел странные объекты — «маленькие красные точки». Это чёрные дыры массой в миллионы солнц, но в очень компактных, почти нетронутых химически галактиках. Стандартные сценарии не успевают вырастить такие тяжести так рано.

В первые секунды после Большого взрыва Вселенная оставила нам не только свет, но и нечто гораздо более неуловимое — реликтовый нейтринный фон. Это эхо мироздания пронизывает каждый кубический сантиметр, но мы его почти не замечаем.

Космология похожа на оркестр, где разные группы инструментов вдруг начали играть вразнобой. Измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла) по ранней и поздней Вселенной дают разные числа. Другие наблюдения намекают на «отрицательную» массу нейтрино нейтронных звёзд — физический нонсенс.

Реликтовое излучение — окаменевший свет первых мгновений. Вскоре после Большого взрыва микроскопические квантовые флуктуации были растянуты инфляцией до масштабов галактических сверхскоплений. Эта рябь сегодня проступает в реликтовом фоне узором температурных пятен.

С детства мы привыкли думать, что пространство бесконечно и изотропно. Но Эйнштейн и Леметр уже задавались вопросом: а не замкнута ли Вселенная сама на себя, подобно ленте Мёбиуса или трёхмерному тору?

Гул стоит по всей Вселенной. Это не звук, а дрожь самого пространства — гравитационный волновой фон. Его создают пары сверхмассивных чёрных дыр, кружащих друг вокруг друга в центрах далёких галактик. Каждая такая пара — как басовый инструмент в огромном оркестре. Поймать соло одного инструмента на фоне общего гудения — задача для пульсарных антенн.

В 2015 году детекторы впервые поймали гравитационную волну — дрожь пространства, долетевшую от слившихся чёрных дыр. С тех пор такие сигналы стали для астрофизики новым окном во Вселенную. Но гравитационные волны способны на большее: они несут в себе отпечаток самой теории тяготения.

Вселенная в возрасте 700 миллионов лет — это шумная новостройка, где только начинают загораться первые огни. Телескопы поймали сигнал из этой далёкой эпохи: галактика REBELS-25, массивная и полная звёздного топлива. Радионаблюдения на телескопах VLA и ALMA выявили слабое, но уверенное свечение молекул угарного газа (CO).

Старая фотография, сделанная в момент рождения Вселенной, почти 14 миллиардов лет несёт к нам свой свет. Этот снимок — реликтовое излучение, остывшее эхо Большого взрыва. На нём запечатлены мельчайшие неоднородности, из которых позже выросли галактики.

Сжатая пружина лежит годами без движения. Кажется, она застыла навсегда, но внутри металла атомы медленно перестраиваются — и однажды пружина щелкает, переходя в новое, более свободное положение.

Реликтовое излучение — это послесвечение Большого взрыва, которое мы видим на миллиметровых волнах. Но у него есть и длинноволновый хвост, уходящий в радиодиапазон. На волнах длиннее 21 сантиметра этот свет начинает поглощаться нейтральным водородом, разбросанным в далёком космосе.

Чёрные дыры известны в двух крайних проявлениях: объекты звёздных масс — финал эволюции массивных светил, и сверхмассивные гиганты, царящие в центрах галактик. Промежуточное звено — чёрные дыры средней массы — долго ускользало от наблюдателей.

Движущиеся сгустки галактик и невидимой тёмной материи — таинственной субстанции, проявляющей себя лишь через гравитацию — создают кильватерные волны в послесвечении Большого взрыва, подобно тому как лодки возмущают гладь пруда.

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.

Огромный пруд, по которому расходятся круги от двух тяжёлых камней, кружащихся друг вокруг друга. Камни сближаются, круги становятся чаще и сильнее, и вот-вот камни столкнутся. Гравитационные волны — это такие же круги, но не на воде, а в самой ткани пространства. Их испускают пары массивных чёрных дыр, когда те сливаются в одну.

В самом сердце Млечного Пути что-то непрерывно светится в гамма-лучах. Свет этот особенный — с энергией ровно 511 тысяч электронвольт. Такая энергия появляется, когда электрон встречает свою античастицу, позитрон, и они вместе исчезают, оставив вспышку света.

Когда первые звёзды зажглись, их ультрафиолетовый свет начал отрывать электроны от атомов водорода. Вселенная из нейтрального тумана превращалась в прозрачную плазму.

Свет далёкой звезды, проходя сквозь атмосферу планеты K2-18b, оставил в спектре необычные «отпечатки пальцев». Астрономы 420 часов собирали этот свет с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба и разложили его на цвета, как радугу. В получившейся картине они увидели линии, которые не спутаешь ни с чем: так выглядят молекулы, знакомые каждому, кто слышал о конопле.

Свет, путешествующий к нам почти 14 миллиардов лет, — как старая фотография, на которой проступают детали при бережной обработке. Реликтовое излучение (послесвечение Большого взрыва) хранит отпечаток первых мгновений Вселенной, но его сигнал слаб и искажён.

Вселенная похожа на океан, где волны разной длины накатывают на берег. Самые длинные волны — это гигантские неоднородности в распределении вещества, которые мы видим в реликтовом излучении. Стандартная теория говорит, что такие волны должны существовать на всех масштабах.

Свет от самого раннего этапа жизни Вселенной летит к нам миллиарды лет. По пути он проходит мимо огромных скоплений галактик. Их гравитация слегка искривляет этот свет — как стекло витрины меняет вид улицы за ним. Когда скопления растут, искривление становится заметнее. Этот эффект называют эффектом Риса-Скиамы.

В морозной пустыне Антарктиды телескоп SPT-3G смотрит вглубь Вселенной. Его цель — древнее микроволновое излучение, оставшееся после Большого взрыва. Но на пути к нам это излучение проходит сквозь гигантские скопления галактик, заполненные раскалённым газом. Газ слегка подогревает фотоны — и на карте неба появляются едва заметные пятна.

На Южном полюсе, где воздух сух и прозрачен для миллиметровых волн, стоит телескоп, который смотрит не на звёзды, а на самый древний свет во Вселенной. Этот свет — космический микроволновый фон, остывшее после Большого взрыва излучение, заполняющее всё небо.

В конце 1990-х годов Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт, анализируя яркость далёких сверхновых типа Ia, обнаружили неожиданный факт: Вселенная расширяется с ускорением.

Тёмная материя, возможно, представляет собой не гипотетические частицы, а первичные чёрные дыры — объекты, возникшие в эпоху Большого взрыва. Представьте раннюю Вселенную как замешиваемое тесто: в этой аналогии чёрные дыры играют роль тяжёлых зёрен, которые, почти не смещаясь под действием собственной инерции, локально искажают гравитационное поле.

Любой прибор — от тостера до смартфона — нагревается при работе. Это неизбежное следствие преобразования энергии: всегда остаётся тепловой след, подобный горячей конфорке после приготовления пищи.

Согласно теории Большого взрыва, которую развил Жорж Леметр, Вселенная начала расширяться из сверхплотного и горячего состояния. Затем, как предположил Алан Гут, она прошла через фазу экспоненциального раздувания — инфляцию.

Быстрые радиовсплески — это яркие космические вспышки, которые, подобно стартовому сигналу, запускают гонку радиоволн через Вселенную. Астрономы использовали их как естественную лабораторию, чтобы проверить, обладает ли массой фотон — квант света, частица-переносчик электромагнитного взаимодействия.

Вселенная после Большого взрыва была почти идеально однородной. Почти — потому что крошечные неоднородности плотности, растянутые инфляцией, стали зародышами галактик. Но что, если эти же неоднородности могли рождать не только звёзды, но и чёрные дыры?