затмение реликтового излучения

Свет от самой горячей стадии Вселенной летит к нам почти 14 миллиардов лет. Это реликтовое излучение — слабое свечение, заполняющее всё небо, своего рода «эхо» Большого взрыва. Недавно астрономы заметили странность: его поляризация — направление колебаний электрического поля — оказалась повёрнута примерно на 0,3 градуса.

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.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стадию стремительного расширения — инфляцию. Даже физический вакуум тогда не был спокоен: квантовые флуктуации раскачивали фундаментальные поля, словно ветер колосья в поле.

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.

Вселенная остывала, как гигантская ванна после горячего начала. Через 400 000 лет после Большого взрыва водород уже готов был рекомбинировать — протоны ловили электроны, чтобы стать нейтральными атомами. Но где-то в этой тёмной воде продолжал капать кран.

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.

В двух миллионах лет от нас, вокруг молодой звезды CI Tau, кружится газопылевой диск — протопланетная колыбель. Наблюдения на ALMA уже показали в нем кольца и зазоры, но самые тонкие детали оставались невидимы: их ширина меньше разрешающей способности инструмента. Астрофизики придумали способ заглянуть за этот предел.

Стандартная космологическая модель ΛCDM, где тёмная материя и тёмная энергия выступают главными архитекторами мироздания, десятилетиями предсказывала астрономические данные с точностью швейцарского хронометра. Её фундамент закладывали три гения. Жорж Леметр предположил расширение из сверхплотного «атома».

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.

Вселенная похожа на огромный склад, где когда-то давно провели строгую инвентаризацию. Реликтовое излучение — это древняя опись всего, что было в наличии спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. Согласно ей, доля материи в общем «бюджете» космоса (параметр Омега_m) известна с высокой точностью.

Гигантское облако невидимого вещества работает как кривое зеркало — искажает свет далёкой галактики. По этим искажениям астрономы могут взвесить облако и заглянуть в его недра. Именно так, с помощью природной гравитационной линзы с кодом JVAS B1938+666, учёные наткнулись на странность: внутри линзы прячется объект массой в миллион солнц, но сжатый до неожиданно маленького объёма.

В центре Млечного Пути, как матрёшка в матрёшке, спрятана сверхмассивная чёрная дыра, а вокруг неё — рой звёзд и невидимая оболочка из тёмной материи. Эта оболочка, или «шип», по идее должна быть очень плотной у самого горизонта. Но звёзды и мелкие чёрные дыры, кружащие рядом, могут действовать как ложка в чашке с кофе: перемешивать и разбрасывать частицы.

Вселенная растёт, как мегаполис: галактики-небоскрёбы возводятся на невидимом каркасе из тёмной материи — гипотетической субстанции, не излучающей свет, но создающей гравитационное притяжение, которое стягивает строительный материал.

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.

На кухне стоят весы для муки и мерный стакан для воды. По отдельности они точны, но когда печёшь хлеб, рецепт требует идеального соотношения. Похожий спор идёт у астрономов о скорости расширения Вселенной. Прямые замеры по звёздам дают одно число, а расчёты по реликтовому излучению (свету, оставшемуся от Большого взрыва) — другое, чуть меньшее.

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.

Прожектор светит сквозь тёмный зал. Между лампой и стеной проплывает невидимая линза — и пятно света на мгновение становится ярче, чуть смещается. Именно это пять ночей подряд высматривал телескоп DECam, нацеленный на Большое Магелланово Облако — галактику-спутник нашего Млечного Пути. Он поймал вспышку длиной всего в час.

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.

Луч фонарика скользит по неровному стеклу. Стекло — это массивные скопления галактик, а фонарик — древний свет, рождённый вскоре после Большого взрыва. Проходя мимо таких скоплений, свет не просто огибает их, как вода камень. Его траектория слегка смещается вбок, и величина сдвига зависит от того, как свет «закручен» — вправо или влево.

Застывшее тесто для кекса усеяно крошечными изюминками. Если тесто однородное, все изюминки разбухнут одинаково, и кекс получится ровным. Но если в тесте есть уплотнения — одни участки слаще, другие более пресные, — то и изюм распределится неравномерно: где-то его будет густо, а где-то пусто.

Пыльная буря, которая не утихает миллионы лет, бушует не в пустыне, а между звёзд. Там плавают облака разреженного газа, пронизанные магнитными полями. Эти поля выстраивают пылинки, как стрелки компаса, вдоль силовых линий. Когда такая пыль излучает, свет от неё становится поляризованным — он колеблется в одной плоскости, словно верёвка, которую встряхнули только вверх-вниз.

Гигантское облако из газа и пыли, такое холодное, что тепло в нём едва теплится — всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Это ТМС-1 в созвездии Тельца, одна из самых тёмных и плотных колыбелей молекул в нашей Галактике. За последние годы она стала настоящей сокровищницей для астрохимиков: число найденных там веществ выросло более чем вдвое.

Вселенная похожа на гигантскую губку: яркие нити галактик оплетают огромные тёмные пустоты. Внутри этих нитей и стен прячутся сгустки невидимой тёмной материи — гало. Когда частицы тёмной материи сталкиваются и распадаются, они рождают обычные частицы, которые можно поймать телескопами.

Пять галактик, которые давно перестали зажигать новые звёзды, выглядят как дома с погашенными окнами. Но радиотелескоп ALMA и космический телескоп Джеймса Уэбба заглянули внутрь и увидели: в этих «спящих» домах всё ещё тлеет огонь. Астрономы измерили свечение угарного газа и тёплой пыли в пяти таких галактиках, удалённых от нас на миллиарды световых лет.

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.

Радиоволны, проходя сквозь намагниченный газ, слегка поворачивают свою поляризацию — как стрелка компаса отклоняется возле магнита. Этот поворот, называемый эффектом Фарадея, рассказал о невидимой среде вокруг сверхмассивной чёрной дыры в галактике NGC 1275. Астрономы собрали данные за девять лет с трёх разных сетей радиотелескопов.

Астрономы стремятся зарегистрировать радиоэхо Большого взрыва — реликтовое излучение, слабое микроволновое свечение, пронизывающее всю Вселенную.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро схлопывается, а ударная волна мчится наружу. Но ещё до того, как звезда разорвётся, в её недрах могут рождаться частицы, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом. Если они распадаются на свет, то энергия уходит в плотный газ вокруг звезды. Этот газ, словно одеяло, окутывает звезду.

Шаровые скопления — это плотные архивы звёздного населения, хранящие летопись юности Галактики. Расшифровать эту летопись долгое время мешали неточные хронометры: оценки возраста расходились на миллиард лет, что сопоставимо с длительностью целых геологических эр.

В глубине созвездия Змееносца живёт галактика NGC 6447. Ещё недавно она была тихой и незаметной, как дом с погашенными окнами. Но за последние 14 лет в её центре что-то зажглось — и теперь это видно в инфракрасном свете.

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.

Реликтовое излучение — это слабое свечение, оставшееся после Большого взрыва, как остывающий след от костра. В нём зашифрованы гравитационные волны, которые могли возникнуть в первые доли секунды, когда Вселенная раздувалась быстрее света. Но между нами и этим древним светом висит пыль нашей Галактики.

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.

Свет далёкого фонаря отражается от тумана вокруг, и по запаздыванию отражения можно судить о расстоянии. Если туман неоднороден, отражение придёт раньше или позже — и расстояние окажется неверным.

В галактике Большое Магелланово Облако, что кружит вокруг нашего Млечного Пути, астрономы поймали пять звёзд, которые выглядят как ископаемые из очень далёкого прошлого. В них почти нет металлов — всего от одной сотой до одной тысячной доли того, что есть в Солнце, зато углерода в десятки раз больше.

Ночное небо полно звёзд, но они — лишь малая часть всего, что есть во Вселенной. Астрономы давно заметили странность: галактики вращаются так быстро, что должны разлететься, но не разлетаются. Что-то невидимое держит их вместе, как невидимые нити, связывающие бусины на вращающемся колесе. Это «что-то» назвали тёмной материей.

Тёмная энергия и тёмная материя — незримые дирижёры космоса. Обычно их считают независимыми сущностями, но новое исследование предлагает видеть их партнёрами в сложном танце. Ведущая роль отводится тёмной энергии — загадочной субстанции, ответственной за ускоренное расширение Вселенной.

Слияние чёрных дыр порождает гравитационную волну — рябь пространства-времени. Иногда на её пути оказывается галактика или сгусток тёмной материи — загадочной субстанции, предсказанной Фрицем Цвикки и подтверждённой наблюдениями Веры Рубин по вращению…