космическая струна

Сразу после Большого взрыва пространство остывало неравномерно. В некоторых местах могли возникнуть топологические дефекты — складки пространства, тонкие, как волос, но невероятно плотные нити энергии. Физики называют их космическими струнами.

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.

Ранняя Вселенная напоминала стремительно остывающий океан. При колоссальных температурах всё было единым — кварки, электроны, взаимодействия сливались в симметричный «пар». Но по мере расширения и охлаждения этот пар конденсировался, фазовые переходы сменяли друг друга, словно вода превращается в лёд.

Гитарная струна, если её тронуть, задрожит и быстро затихнет. А теперь — струна космическая. Тончайшая нить чистой энергии, оставшаяся после Большого взрыва, в триллионы раз тоньше атома и плотнее нейтронной звезды. Ударь по ней — и она может петь миллиарды лет. В новой работе физики рассмотрели особый тип колебаний. Не поперечные дрожания, а волны, бегущие вдоль самой струны, словно звук по натянутому канату.

В математике есть сито, просеивающее не пыль, а саму бесконечность. Его называют Q-пространством: любое множество здесь оказывается Gδ-множеством — счётным пересечением открытых, словно просеяно сквозь невиданно частую сетку.

Предмет не может быть точкой. По крайней мере, в гравитации Эйнштейна. Уравнения общей теории относительности требуют, чтобы источник поля — материя — был размазан в пространстве, а не сосредоточен в бесконечно малом объёме. Иначе в формулах появляются бесконечности, и гладкого пространства-времени не построить.

Раскалённый бульон ранней Вселенной остывал неравномерно. В какой-то момент в нём начали лопаться пузырьки новой фазы — как пузырьки пара в закипающей воде. Только эти пузырьки были не из пара, а из нового состояния материи, в котором частицы тёмного сектора слиплись в более крупные комки. Так и могла родиться тёмная материя.

В раскалённой плазме младенческой Вселенной, сразу после инфляционного расширения, придуманного Аланом Гутом, царила эпоха кинетического доминирования.

Ранняя Вселенная была неспокойным местом. Пространство дрожало от гравитационных волн — ряби самой ткани мироздания. В этом бурлящем котле, как предполагают, и родилась тёмная материя. Но у новорождённых частиц не было массы — её нужно было откуда-то взять. Обычно за массу отвечает поле Хиггса.

Всё началось не с пустоты, а с кипящего океана плазмы. В этом первозданном бульоне звуковые волны бежали сквозь огненную материю, сталкивались и уплотняли её. Иногда сгусток становился настолько плотным, что свет уже не мог вырваться — и прямо из раскалённого газа рождалась первичная чёрная дыра.

В ранней Вселенной могли рождаться крошечные чёрные дыры — с гору массой, но размером с атомное ядро. Сегодня они способны служить фабриками тёмной материи. Механизмов два: привычное испарение (излучение Хокинга) и менее известное сверхизлучение.

Обычная гравитация, описываемая общей теорией относительности, подобна мягкой резиновой мембране. Когда массивная звезда исчерпывает своё топливо и коллапсирует, она прогибает эту мембрану настолько сильно, что формируется чёрная дыра — область, где искривление пространства-времени становится бесконечным, и ничто, даже…

Вселенную можно представить как мыльный пузырь, раздувающийся в многомерной пене. Модель тёмного пузыря объясняет ускоряющееся расширение космоса: пузырь пространства-времени растёт, и его плёнка приобретает крошечную толщину — порядка микрона, сравнимую с размером бактерии. На таких масштабах гравитация «расплывается» в этой толщине и ослабевает.

Чёрная дыра — не просто космический пылесос. Это область с такой сильной гравитацией, что даже свет не может её покинуть. Но если поместить её в идеальную жидкость из тёмной материи и добавить облако струн — тонких, натянутых во всём пространстве нитей, — картина усложняется.

Сразу после Большого взрыва, в бурлящем котле остывающей Вселенной, словно в неравномерно застывающем стекле, возникали напряжения — тончайшие трещины реальности, космические струны. Представьте канатоходца, балансирующего на невидимом тросе, перекинутом через бездну искривленного пространства-времени.

Басовая струна, которую дёрнули в момент Большого взрыва, не просто гудит на одной ноте — по ней бегут волны, и время от времени от неё отрываются крошечные колечки-петли. Эти петли, словно камертоны, начинают звенеть на собственной частоте, создавая очень высокий звук. В масштабах Вселенной «звук» — это рябь на ткани пространства-времени, которую называют гравитационными волнами.

Кристалл похож на строй солдат на плацу: каждый атом на своём месте, и электроны маршируют по нему ровными волнами. Аморфный материал — это толпа на вокзале, где никакого порядка нет, одна сплошная толчея. В такой толпе электрон обычно быстро застревает, словно человек, пытающийся пройти сквозь плотную массу людей.

Загадка тёмной материи, впервые замеченной в звёздных водоворотах Веры Рубин, терзает физику без малого век. Одна из самых дерзких гипотез — первичные чёрные дыры, родившиеся в раскалённом бульоне ранней Вселенной. Обычно их появление связывают с квантовыми флуктуациями во время инфляции, требующими тонкой настройки параметров.

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.

Магнит, поднесённый к горсти железных опилок, выстраивает их вдоль невидимых линий — так поле огибает магнит от полюса к полюсу. Похожим образом можно увидеть и гравитацию вокруг массивных тел: только вместо опилок — само пространство, а вместо магнита — звезда или чёрная дыра. Авторы работы предложили разложить гравитацию на два поля. Одно похоже на электрическое — оно тянет.

Пространство-время иногда напоминает лист бумаги, в котором можно проделать дырку и соединить края короткой трубкой — получится кротовая нора. В самых простых математических моделях таких нор появляются безмассовые скалярные поля — нечто вроде невидимого тумана, заполняющего всё вокруг.

Когда горячий суп остывает, на поверхности появляются сгустки — так и ранняя Вселенная, остывая, рождала нитевидные сгустки энергии, космические струны. Некоторые из них похожи на натянутую резинку: пока цела — стабильна. Но если резинку надрезать, она рвётся.

Магнит с единственным полюсом — северным, без южного — это не обломок, а отдельная частица. Её называют магнитным монополем (носителем одного магнитного заряда). Рождение таких гостей возможно в ранней Вселенной, когда силы только разделялись. А рядом с ними могло существовать поле аксионов — невидимых и почти невесомых частиц, из которых, вероятно, состоит тёмная материя.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная вела себя подобно туго надутому шару: высокое давление препятствовало локальному сжатию материи в сгустки. Однако гипотетические сверхтяжёлые частицы — своего рода «тяжеловесы» микромира — могли на короткое время уменьшить эту упругость.

Капли из неплотно закрытого крана отбивают чёткий ритм. Похожий ритм, только в масштабах Вселенной, обнаружили астрофизики: образование первичных чёрных дыр — крошечных объектов, родившихся в первые мгновения после Большого взрыва — тоже идёт не хаотично, а строго размеренно.

Гигантская воронка крутится с огромной скоростью. Если бросить в неё верёвку, закрепив один конец на краю, а другой оставив снаружи, воронка начнёт наматывать верёвку на себя, заставляя её вращаться. Примерно так ведёт себя космическая струна рядом с вращающейся чёрной дырой.

В первые мгновения после Большого взрыва космос напоминал гигантский остывающий пруд. Как вода, замерзая, покрывается сеткой трещин, так и остывающая Вселенная могла растрескаться — но не льдом, а тончайшими нитями чистой энергии. Эти нити называют космическими струнами.

В 2016–2018 годах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе протоны сталкивались с энергией 13 тераэлектронвольт — как если бы две горошины разгоняли до скоростей, при которых их удар рождает целый рой новых частиц.

Вселенная — это исполинская паутина из невидимой тёмной материи и галактик, растягиваемая расширением пространства. Нейтрино — почти неосязаемые частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом, — почти не цепляются за нити, но их общая масса неуловимо меняет натяжение всей сети.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) зафиксировал в ранней Вселенной компактные, но аномально яркие объекты с красным смещением. Их светимость в сотни раз превышает типичные показатели для галактик той эпохи. Астрофизики полагают, что внутри скрываются чёрные дыры с массами порядка миллиардов солнечных.

Чёрные дыры славятся характерным тёмным силуэтом на фоне яркого свечения. На самом деле это не тень, а сильно искривлённый свет, огибающий объект по кривой. Однако в космосе встречаются их двойники — сверхплотные тела без горизонта событий, которые тоже искажают свет, но по‑своему. По этим искажениям можно раскрыть обман.

Большой взрыв был подобен космическому раскату грома, заставившему ткань пространства-времени вибрировать. Эти вибрации — гравитационные волны — до сих пор расходятся по Вселенной, словно эхо от давнего события.

Согласно теориям, выходящим за рамки Стандартной модели — нашего лучшего описания элементарных частиц и их взаимодействий, — в первые мгновения после Большого взрыва рождались пары магнитных монополей. Это гипотетические частицы, несущие только один магнитный полюс — «север» или «юг», в отличие от привычных магнитов, где полюса неразлучны.

Когда две чёрные дыры сливаются, новорождённая дыра должна звенеть, как колокол, испуская гравитационные волны — рябь пространства-времени.

Вселенная, согласно этой гипотезе, ведёт себя подобно сжатой пружине: она коллапсирует до микроскопических масштабов, а затем вновь расширяется в фазе отскока.

Вращающаяся чёрная дыра — космический водоворот, который затягивает всё вокруг. У некоторых таких дыр есть невидимые нити, которые тянутся от горизонта событий, как спицы от колеса. Учёные долго спорили, что это за нити и можно ли их увидеть. В новой работе физики показали, что эти нити — не просто математическая условность.

В центре галактики NGC 1600, удалённой от нас на 200 миллионов световых лет, астрономы заметили плотное скопление звёзд. Оно выглядело как яркий узел на фоне размытого сияния — и это было неожиданно.

Водопад не спрашивает, готовы ли вы к прыжку. Его поток ускоряется, и в какой-то момент даже свет не может вырваться обратно. Чёрная дыра МакВитти — это такой водопад, но не в обычной реке, а в расширяющейся Вселенной: вода здесь — само пространство, которое непрерывно растягивается, унося галактики друг от друга. Долгое время оставалось неясным, можно ли вообще упасть в эту дыру.

Вселенная расширяется всё быстрее, и стандартное объяснение этому — положительная космологическая постоянная, то есть вакуум де Ситтера. Теория струн, претендующая на роль квантовой гравитации, должна уметь описывать такой вакуум, но за десятилетия усилий ни одной надёжной конструкции не появилось.