космологические данные

Ночное небо кажется случайной россыпью звёзд. Но если разглядеть его на огромных расстояниях, хаос исчезает. Галактики собираются в длинные нити и плоские стены, а между ними зияют исполинские пустоты — космические войды. Эту конструкцию называют космической паутиной. Чтобы описать такую сложную систему, недостаточно просто посмотреть на картинку.

Когда умирает звезда во много раз тяжелее Солнца, она сжимается и взрывается сверхновой. Это не просто вспышка света — весь процесс, от обрушения ядра до разлёта оболочки, порождает дрожь самого пространства. Такие волны называют гравитационными. Учёные взяли десятки трёхмерных моделей взрывов и выяснили: гравитационный гул от сверхновых складывается из двух частей.

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.

Вселенная — это огромный тёмный океан. Мы видим лишь светящуюся пену на его поверхности — звёзды и галактики. А в глубине скрыты две невидимые стихии: тёмная материя — невидимое вещество, которое своей гравитацией не даёт галактикам разлететься, и тёмная энергия — загадочная субстанция, которая, наоборот, расталкивает само…

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.

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.

2.1 × 10⁻⁹ — примерно такой же разброс температуры по небу, как если бы на океанской глади измерили рябь высотой в доли миллиметра. Эта микроскопическая неоднородность запечатлена в реликтовом излучении и рассказывает о самом начале времён.

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.

Вселенная — грандиозный оркестр, где тёмная энергия дирижирует расширением.

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.

Скопления галактик — величайшие гравитационные ансамбли Вселенной. В рентгеновском свечении, порождённом горячей плазмой, зашита история расширения космоса, скрытой тёмной материи и загадочной тёмной энергии.

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.

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?

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.

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.

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.

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.

Перепись, где записывают только расстояние между домами, многое упускает. Можно узнать, где города, а где деревни, — но не отличить небоскрёб от частного сектора. Примерно так астрономы изучают Вселенную с помощью обычной двухточечной корреляционной функции: считают, сколько пар галактик разделены определённым расстоянием.

Огромный слоёный пирог, где слои теста — это пространство, а начинка — особая область, похожая на невидимую стену. Эта стена не из кирпичей, а из энергии, и она может быть толщиной с целую Вселенную. Если такая стена существует, она должна по-разному растягивать слои теста: те, что лежат вдоль неё, раздвигаются быстрее, а те, что поперёк, — медленнее. Именно такую картину проверили авторы работы.

Древний свет — космическое микроволновое фоновое излучение, — путешествуя 14 миллиардов лет, приходит к нам со всех направлений. На первый взгляд оно идеально однородно, но при детальном анализе в нём проступают мельчайшие температурные колебания — как рябь на гладкой плёнке. Эта рябь не случайный шум, а зашифрованная летопись ранней Вселенной.

Вселенная — огромный город. Тёмная материя — невидимый каркас зданий, а тёмная энергия — сила, растягивающая улицы. Долгое время их считали независимыми, но новое исследование уличило их в тайном общении.

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.

Когда в далёкой галактике сталкиваются две мёртвые звезды, об этом событии нам сообщают два гонца: дрожь пространства — гравитационная волна — и вспышка света. Оба гонца бегут к нам через всю Вселенную, но их пути могут слегка отличаться. Свет иногда задерживается из-за космической пыли, а гравитационные волны проходят сквозь всё насквозь, почти не замечая препятствий.

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.

Дрожь пространства звучит как оркестр. Гравитационные волны, пойманные детекторами LIGO и Virgo, рассказывают о столкновениях чёрных дыр. Иногда в музыке слышны фальшивые ноты — крошечные отклонения от партитуры Эйнштейна. Они могут шептать о новой физике или просто о пыли на смычках.

Вы меряете шагами огромный зал в полной темноте. Идёте от стены до стены, считая шаги, и вдруг понимаете: расстояния сходятся не так, как должны. Кажется, будто пол не плоский, а выгнут горбом или вогнут чашей. Примерно это астрономы обнаружили, изучая далёкие галактики и звуковые волны, застывшие в ранней Вселенной.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Примерно так же ведут себя глюоны — частицы-переносчики сильного взаимодействия внутри протонов. Обычно они снуют туда-сюда, удерживая кварки вместе.

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.

Альбом с сотнями семейных фотографий хранит множество историй. Если разглядывать каждый снимок отдельно, легко решить, что дядя — настоящий великан: в тот день он стоял на ступеньку выше остальных. Но стоит пролистать весь альбом, и становится ясно — его рост самый обычный, просто ступенька попалась на паре кадров. Похоже работают детекторы гравитационных волн.

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.

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

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.

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.

Если смотреть на карту далёких галактик, она не идеально ровная: в одной стороне неба их чуть больше, в другой — чуть меньше. Этот перекос заметили в нескольких обзорах неба, и он не похож на случайность. Обычно его объясняют тем, что наша Галактика сама куда-то летит, и из-за этого далёкие объекты кажутся смещёнными. Но измерения не всегда сходятся с этим простым объяснением.

Галактика похожа на гигантскую карусель: звёзды и газ кружатся вокруг центра, и скорость их движения выдаёт, сколько всего вещества в этой карусели. Если бы мы видели только светящуюся материю, внешние части вращались бы медленнее, чем показывают наблюдения. Значит, есть невидимая масса — тёмная материя, которая держит галактику вместе.

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

Свет каждой звезды — это её уникальный паспорт, но записи в нём сделаны на языке спектров и цветов. Для старых гигантов такие документы почти неотличимы: их спектры накладываются друг на друга, и расшифровать детали вручную было практически невозможно.

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.