космологические параметры

Капля чернил растекается в стакане воды: края её двигаются быстрее, чем середина, и форма капли меняется. Так и сгусток тёмной материи, стягивающийся под собственной тяжестью, расширяется неравномерно — разные его оболочки разлетаются с разной скоростью. Раньше астрофизики умели точно описывать лишь самый простой случай — однородный шар с резкой границей, у которого один темп расширения.

В сердце старого города стоит башня с часами, которые не переводили с момента постройки. По их отставанию можно вычислить, насколько растянулось время с тех пор. В космосе роль таких башен играют реликтовые галактики — плотные звёздные скопления, которые сформировались в первые миллиарды лет и с тех пор не сливались с соседями и не рождали новых звёзд.

Вглядываясь в ночное небо, мы упираемся взглядом в черноту, за которой ничего не видно. Это не просто далёкий забор — это край доступной нам Вселенной, космический горизонт. Свет от более далёких звёзд просто не успел до нас дойти. Удивительно, но эта невидимая граница ведёт себя почти как нагретая сковорода: у неё есть температура, и она подчиняется законам тепла.

Стандартная космологическая модель ΛCDM — включающая тёмную энергию и холодную тёмную материю — подобна партитуре космической симфонии. Она описывает, как после Большого взрыва расширялось пространство, как сгущалась тёмная материя и как зажигались галактики.

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…

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.

Холодная чёрная гладь — так миллиарды лет выглядело море тёмной энергии, невидимой субстанции, расталкивающей расширение Вселенной. Но спектрограф DESI зафиксировал едва уловимую зыбь. Застывшие звуковые волны — барионные акустические осцилляции — подсказали: с космическими расстояниями неладно.

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.

Ранняя Вселенная раздувалась с бешеной скоростью — этот этап называют инфляцией. Но как именно она это делала? Одни модели описывают расширение как крутой экспоненциальный взлёт, другие — как более спокойное степенное движение.

В космологии назрела драма: два главных музыкальных инструмента — оркестр ранней Вселенной и камерный ансамбль современного космоса — исполняют одну симфонию расширения в разном темпе.

Вселенная — это оркестр, играющий симфонию Большого взрыва. Дирижёром долгое время считалась тёмная энергия — незыблемый метроном, задающий темп расширению.

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.

Космологический оркестр настраивается не по одному камертону. Есть две группы инструментов: одни слушают гул молодого мироздания — реликтовое излучение, другие считывают ноты со зрелых галактик и сверхновых. Десятилетиями обе группы пытались сыграть унисон — определить, с какой скоростью разлетаются галактические архипелаги.

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 1930-х Фриц Цвикки первым заметил, что галактики в скоплениях движутся слишком быстро — их удерживало нечто невидимое. Позже Вера Рубин измерила вращение спиральных галактик, подтвердив: космос пронизан тёмной материей. Сегодня мы знаем, что она рисует космическую паутину, но природа её частиц — тайна.

Космология — это музыка сфер, и постоянная Хаббла когда-то казалась нам надёжным метрономом. Но данные инструмента DESI, изучающего спектры миллионов галактик, намекают: дирижёр — тёмная энергия — сам меняет темп по ходу симфонии.

Космология переживает тектонический разлом. Цефеидно-калиброванные сверхновые, измеренные командой Адама Рисса, указывают на скорость около 73 км/с на мегапарсек.

В первые мгновения после Большого взрыва сама ткань пространства-времени могла испытывать квантовые флуктуации, подобно тому, как натянутая струна вибрирует от случайного прикосновения. Затухая, эти колебания должны были оставить отпечаток в крупномасштабной структуре космоса — так называемый эффект памяти гравитационных волн.

Если зажечь в комнате лампу, она осветит стены. Но если ту же лампу поставить в огромный зал, свет едва доберётся до углов. Примерно так же излучение молодых звёзд действует на газ в галактике: оно выбивает электроны из атомов водорода, заставляя газ светиться. Астрономы называют это «ионизацией», а силу такого воздействия — ионизационным параметром.

Вселенная, словно игроки за карточным столом, подчиняется строгим правилам. Одно из фундаментальных условий: гравитация — всегда притяжение, а энергия не может принимать отрицательных значений.

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.

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.

Горячий кофе на столе остывает: тепло растекается от горячего центра к краям. Примерно так же, предполагают авторы, ведёт себя и сама Вселенная — только в масштабах миллиардов световых лет.

Вселенная не терпит однообразия. Век назад Эдвин Хаббл и Жорж Леметр подарили нам элегантную картину: расширяющийся космос, гладкий, как поверхность натянутого шара.

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.

Воздушный шар надувают, но с каждым нажатием насоса резина не просто растягивается — она слегка меняет свою эластичность. Похожим образом работает гравитация в новой модели: не как жёсткая сцена для космического спектакля, а как живой материал, отзывающийся на каждую крупицу вещества.

Кастрюля с кипящим супом, который вдруг начал остывать с бешеной скоростью, — примерно так выглядела Вселенная спустя несколько минут после Большого взрыва. Температура падала, и из протонов с нейтронами начали слипаться первые ядра: водорода, гелия, дейтерия и лития.

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.

Воздушный шар надувают. Сначала он раздувается медленно, потом кто-то резко доливает воздух — и шар расширяется быстрее. Но вот поток воздуха слабеет, и шар снова начинает раздуваться медленнее. Примерно так, согласно новой работе, вела себя Вселенная: после Большого взрыва она расширялась, потом вдруг ускорилась, а теперь ускорение сходит на нет.

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

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.

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.

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.

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.

Вселенная расширяется, и учёные хотят узнать, с какой скоростью и из чего она состоит. Для этого они сравнивают данные от далёких взрывов звёзд, звуковых волн в ранней Вселенной и слабого свечения, оставшегося после Большого взрыва. Каждый набор данных — как кусочек мозаики, а нужно сложить их в общую картину.

Программист пишет код, запускает, видит ошибку и правит. Теперь этот процесс можно поручить самой программе. Машинное обучение уже умеет улучшать алгоритмы, но обычно требует много данных и готовых примеров.

В стандартной космологической модели ΛCDM разбегание галактик объясняется действием тёмной энергии — гипотетической субстанции, работающей подобно невидимой пружине, расталкивающей пространство. Однако независимые методы измерения скорости расширения дают расходящиеся значения — словно у линейки сбита шкала.

Вселенная расширяется, и галактики разлетаются, как изюм в поднимающемся тесте. Но с конца 1990-х годов известно, что это расширение ускоряется. Что за сила расталкивает галактики всё быстрее — одна из главных загадок физики. Её называют тёмной энергией, и она составляет около 70% всего содержимого космоса.