космологическое моделирование

Перепись населения по форме тела: так можно описать то, что сделали астрономы с 6348 массивными галактиками. Вместо роста и веса они измерили, насколько свет сконцентрирован к центру, насколько галактика сплюснута и насколько её форма несимметрична. Потом те же измерения провели для галактик из трёх компьютерных моделей Вселенной и сравнили результаты.

Гравитационная волна — это колебание самой ткани пространства-времени, порождённое, например, слиянием чёрных дыр. Представьте её как звон колокола в ночи: по громкости можно судить о расстоянии до источника.

Ранняя Вселенная напоминала не спокойный пруд, а бурлящий котёл. Вещество в ней текло, сталкивалось, завихрялось — и всё это на фоне стремительного расширения самого пространства. Чтобы понять, как из этой горячей каши родились звёзды и галактики, физики строят цифровые симуляции — компьютерные модели, воспроизводящие физические процессы по законам теории.

В тёмной комнате звучит музыка. По полу рассыпана пудра — мелкая, почти невидимая. Низкие частоты заставляют её собираться в причудливые узоры: нити, сгустки, пустоты. Примерно так же гравитация за миллиарды лет сплетает галактики в космическую паутину — только вместо звуковых волн здесь работает притяжение.

Часы во Вселенной — штука хитрая. Обычно в расчётах рождения мира роль часов играет особое скалярное поле — нечто вроде невидимой жидкости, заполняющей всё пространство. Оно тикает, а физики смотрят, как меняется мир относительно этого тиканья. Но часы эти — рукотворные, их ввели для удобства. Авторы новой работы пошли другим путём.

Столкновение галактик подобно медленному гравитационному танцу: два звёздных партнёра постепенно сближаются, а в центре каждой прячется сверхмассивная чёрная дыра — невидимый маховик с массой в миллионы или миллиарды солнечных.

Вселенная пронзительно звенела в первые мгновения. В эпоху инфляции, когда пространство расширялось быстрее света, энергии были чудовищны — в триллионы раз выше, чем в Большом адронном коллайдере.

В первые мгновения жизни Вселенная напоминала бурлящий котёл. Вещество не было разлито ровно — в нём зрели сгустки и пустоты, и их бурное движение рождало дрожь самого пространства: гравитационные волны. Сегодня мы пытаемся уловить их отголоски — например, с помощью сети радиотелескопов NANOGrav, — и сравнить с предсказаниями.

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.

Первые три минуты после рождения мира — космическая кухня, где природа готовила самые лёгкие атомные ядра. Рецепт задан гравитацией: она управляет темпом остывания горячего «бульона» из частиц. Если гравитация работала иначе, чем мы привыкли, то и блюдо получилось бы другим — с иным количеством гелия и дейтерия.

Представьте фотографию с длинной выдержкой: контуры размыты, но именно эта размытость передаёт движение. Квантовая волна — волновая функция, описывающая вероятность местоположения частицы, — напоминает такой снимок. Традиционно подобные «застывшие» волны считают удобной математической абстракцией.

В сердце почти каждой галактики дремлет сверхмассивная чёрная дыра — невидимый дирижёр звёздного оркестра. Когда галактики сталкиваются, их центральные монстры сближаются, закручиваясь в гравитационном танце. Иногда к дуэту присоединяется третий партнёр, и тогда начинается тройной вальс, исход которого непредсказуем.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была не безмолвной пустотой, а кипящим котлом плазмы, пронизанной звуковыми волнами. Когда температура падала, космос переживал фазовые переходы — спонтанные перестройки, рождавшие пузыри новой фазы.

Вселенная не всегда расширялась. В некоторых моделях она сначала сжималась — почти пустая и плоская, — а потом, достигнув предела, оттолкнулась и пошла в рост, как привычный нам мир. Такой сценарий называют отскакивающей космологией.

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

Сразу после Большого взрыва Вселенная, возможно, застряла в ложном вакууме — временном состоянии, подобном мыльной плёнке, готовой лопнуть от малейшего возмущения. Затем мог возникнуть редкий пузырь истинного вакуума, растянувший пространство в мгновение ока.

В первые мгновения после рождения Вселенная могла быть многомерной — словно лист бумаги, который вдруг обрёл толщину. Эта «толщина» — дополнительные измерения — начала стремительно раздуваться. Такой сверхбыстрый рост называют инфляцией.

Сквозь рябь на воде камешки на дне бассейна кажутся сдвинутыми и искажёнными. Похожим образом гравитация невидимой тёмной материи искривляет свет далёких галактик — это явление называют слабым линзированием. Но рябь в бассейне живёт только на поверхности, а тёмная материя распределена в объёме, на разной глубине.

Астрономы составляют детальные карты распределения галактик и регистрируют радиошёпот нейтрального водорода — излучение на длине волны 21 см, испускаемое атомами водорода при смене ориентации спина электрона.

Конец Вселенной — не просто угасание света. Если тёмная энергия — загадочная субстанция, ускоряющая расширение космоса, — разорвёт его в клочья в сценарии Большого разрыва, или если расширение сменится сжатием, возвращающим всё в точку, подобную Большому взрыву наоборот, наступает сингулярность — момент, где привычная физика отказывает.

Воздушный шарик сдувается не весь сразу: сначала на нём появляются вмятины, которые бегут, сливаются, и в конце шарик сморщивается в точку. Примерно так же ведут себя доменные стенки — тонкие перегородки, разделявшие пространство в первые мгновения после Большого взрыва.

Классическая история рождения Вселенной из пылающей точки Большого взрыва сталкивается с неудобными вопросами: почему космос столь однороден и что было до сингулярности? Алан Гут предложил инфляцию как мгновенное раздувание, разгладившее все неровности, но сама инфляция казалась одноразовым чудом.

Ускоренное расширение Вселенной — наблюдательный факт, который может указывать на то, что наше понимание гравитации неполно. Физики разрабатывают альтернативные теории, но их проверка требует расчёта того, как из первичных квантовых флуктуаций после Большого взрыва сформировались галактики.

Ранняя Вселенная напоминала стремительно надуваемый шар — она раздувалась так быстро, что свет не успевал догнать собственные края. Потом этот бешеный разгон сменился спокойным расширением. Шар перестали надувать, и он начал медленно сдуваться. В момент смены режимов пустота не осталась пустой: из неё, словно из перегретого котла, выплеснулись пары частиц.

Резиновая лента, которую растягивают в разные стороны, ведёт себя не так, как целый лист бумаги. Если тянуть за край, деформация распространяется не равномерно, а словно задерживается на отдельных участках.

Вселенная огромна, и просчитать, как в ней распределяются галактики и тёмная материя, — задача не из лёгких. Обычно учёные запускают компьютерные симуляции, которые «разыгрывают» эволюцию целых участков космоса размером в миллиарды световых лет. Но такие расчёты требуют колоссальных ресурсов и времени.

Если бросить горсть блёсток в реку, одни поплывут прямо, другие закружатся в маленьких водоворотах. С галактиками во Вселенной происходит похожее: они не только разбегаются из-за расширения, но и кружатся в гигантских потоках, словно щепки в невидимых водоворотах.

Звезда наследует химический состав родительского газового облака — подобно тому, как ребёнок получает гены от родителей.

Бросьте два одинаковых камешка с вершины горы: один ляжет на сантиметр левее, и через минуту они окажутся в разных долинах. Галактика — та же гора, только камешков в ней миллиарды, а склон тянется миллионы лет. Авторы новой работы смоделировали диск из 40 миллионов точек-звёзд и проверили, как быстро он забывает, где был вначале. Оказалось, почти мгновенно.

В облаке тысячи крошечных капель воды висят в воздухе. Чтобы пошёл дождь, им нужно вырасти: слипнуться в большие капли и стать достаточно тяжёлыми, чтобы упасть на землю. Но как именно капли находят друг друга в огромном облаке? Учёные создали компьютерную модель, которая следит за каждой каплей отдельно — как будто у каждой есть свой маленький датчик.

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.

Всё началось с крошечных квантовых мерцаний — флуктуаций вакуума — на первозданном холсте ранней Вселенной. Инфляция — лавинообразное, экспоненциальное расширение пространства, предложенное Аланом Гутом, — растянула эти мазки до размеров галактик и их скоплений.

Обычный компьютер, когда ищет закон природы по данным, пытается угадать готовую формулу целиком. Это как если бы повар, не зная рецепта, разом вывалил все ингредиенты в кастрюлю и надеялся, что получится суп. Чаще всего выходит несъедобная каша: формула длинная, но бессмысленная, и на новых данных она ошибается. Учёные предложили другой путь: пусть машина идёт по стопам великих физиков.

Тёмная материя невидима, но её притяжение удерживает галактики от разлёта. Долгое время считалось, что частицы тёмной материи пролетают друг сквозь друга, не замечая. Однако в маленьких галактиках плотность тёмной материи в центре оказалась ниже, чем предсказывают расчёты.

Свет, рождённый в момент Большого взрыва, шёл к нам почти 14 миллиардов лет. Но по пути он проходил сквозь гравитационные поля галактик и скоплений тёмной материи — гипотетической формы материи, не участвующей в электромагнитном взаимодействии и потому недоступной прямому наблюдению. Эти поля искривляли лучи, подобно тому, как неровное стекло искажает изображение.

Вселенная похожа на гигантскую паутину: галактики не разбросаны как попало, а собраны в узлы и вдоль нитей. Внутри нитей много газа, и именно там чаще всего вспыхивают новые звёзды. Но как это менялось со временем? Учёные сравнили данные из компьютерной модели и реальные наблюдения за тысячами галактик.

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.

Традиционная космология отталкивается от Большого взрыва — модели, впервые предложенной Жоржем Леметром.

Тысячи вселенных родились в компьютере, чтобы однажды рассказать о нашей. Каждая — со своими скоплениями галактик, расставленными по законам гравитации, как горошины в банке, которую встряхнули с разной силой. По тому, как легли горошины, можно понять, что за рука трясла банку.

Три раздела физики — космология, физика частиц и ядерная физика — веками развивались как изолированные берега.