космология

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.

Река, нарисованная на карте, — всегда одна линия. Но встань на берег, и увидишь: внутри русла есть струи побыстрее, водовороты, рукава, которые то сливаются, то расходятся. Космическая паутина — та же река, только из тёмной материи, и до недавнего времени астрономы рисовали её одной линией.

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.

Солнечное пятно — тёмный островок на огненной поверхности — живёт своей бурной жизнью. Под ним, в невидимых глубинах, плавают гигантские магнитные петли, похожие на скрученные жгуты. Когда такая петля всплывает наружу, она может разрядиться вспышкой — и выбросить в космос облака заряженных частиц.

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.

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.

Ранняя Вселенная — не просто горячий бульон из частиц. В первые доли секунды в ней могла нарушиться зеркальная симметрия (чётность): мир и его отражение стали бы не совсем одинаковыми.

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.

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.

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.

Три невидимые струны колеблются в межгалактической пустоте. Это не поэзия, а гипотеза о природе тёмной материи — сверхлёгком квантовом поле со спином 1, несущем три поляризации.

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.

Глубоко в амазонских лесах, под многослойным пологом листвы, лежат огромные земляные фигуры — квадраты, прямоугольники, редкие ромбы. Десятилетиями они дразнили археологов молчаливой геометрией, пока исследователь не вооружился орбитальной оптикой и не увидел в них астрономический прибор.

Загадка антивещества в космосе не давала покоя астрофизикам: откуда берутся позитроны, что снежинками оседают в детекторах? Ответ может прятаться в самом вездесущем гамма-фоне. Вселенная пропитана рассеянным светом — космическим фотонным фоном (CPB).

В большом оркестре мироздания у каждого инструмента свой ритм. Электроны в атоме совершают квантовые скачки за фемтосекунды, нейроны в мозгу обмениваются сигналами миллисекундами, а человеку, чтобы осознать «сейчас», нужны десятые доли секунды. Физики давно ищут дирижёра, который сводит эти разномасштабные партии в единую мелодию направленного времени.

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».

Когда мы смотрим вглубь космоса, мы видим прошлое. Закон Эдвина Хаббла превращает красное смещение в машину времени: свет от галактики UDS 12999 шёл до нас 7.6 миллиарда лет — больше половины жизни Вселенной.

Космологический принцип — утверждение, что Вселенная в больших масштабах однородна и изотропна, — стоит на страже нашего понимания мира со времён Эдвина Хаббла и Жоржа Леметра, чьи идеи легли в основу модели Большого взрыва.

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.

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?

Линзовидные галактики — космические «тихони»: диск есть, а ярких спиральных рукавов нет. Долгое время их происхождение оставалось загадкой. Команда учёных запустила компьютерную симуляцию Hydrangea и проследила судьбу каждой галактики от молодости до наших дней. На графике «масса-размер» эти галактики выстроились в букву V.

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.

С конца XX века науке известно, что расширение Вселенной ускоряется: галактики разлетаются друг от друга всё быстрее. За это открытие были удостоены Нобелевской премии Адам Рисс, Сол Перлмуттер и Брайан Шмидт.

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.

Наша Вселенная не просто расширяется — она делает это всё быстрее. Это похоже на тесто с изюмом в духовке: изюмины удаляются друг от друга, и чем дальше они уже разлетелись, тем быстрее продолжают расходиться. Странная сила, расталкивающая космос, получила название тёмной энергии.

Кузнец куёт меч. С каждым ударом молота раскалённый металл плющится, но и сам молот, и наковальня, и воздух вокруг чуть нагреваются. Часть энергии удара безвозвратно уходит в тепло — и этот размен, знакомый каждому, кто хоть раз забивал гвоздь, оказывается ключом к самым большим загадкам космоса.

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.

Магнит с одним полюсом — северным, но без южного. Разломите его пополам — и вместо двух обычных магнитов вы получите два таких же однополюсных. В нашем мире подобных частиц пока не нашли, хотя многие теории предсказывают их существование. Эти гипотетические объекты называют магнитными монополями. Авторы работы заметили любопытную связь.

Космология переживает странные времена. С одной стороны, стандартная модель с тёмной материей и тёмной энергией прекрасно описывает крупномасштабную структуру. С другой — трещит по швам.

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.

Физика часто напоминает строительство гигантского корабля — Вселенной. Инженеры-физики ещё не пришли к единому мнению о базовых чертежах.

Маятник сам выбирает, как ему качаться. Если толкнуть его слишком сильно, он быстро вернётся к плавному ритму. Если задержать в крайнем положении — будет стоять, но стоит отпустить, и он снова придёт в привычное движение.

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.

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

Представьте Вселенную как надувающийся воздушный шар: его поверхность расширяется, и галактики, словно точки на резине, удаляются друг от друга. Но квантовая механика накладывает жёсткое ограничение — невозможно одновременно с высокой точностью измерить, насколько этот «шар» велик и как быстро он раздувается.

Эдвин Хаббл и Жорж Леметр почти век назад заложили основы концепции расширения Вселенной — процесса, при котором само пространство между галактиками непрерывно растягивается.

В раскалённой солнечной короне, где температура скачет за миллион градусов, плавают холодные плотные облака — солнечные протуберанцы. Они висят неделями, не падая и не растворяясь, словно айсберги в кипящем океане. Как они там оказались — вопрос, который мучил астрономов десятилетиями.

Шаровые скопления — это плотные «клубки» из сотен тысяч звёзд, которые обращаются вокруг центра Млечного Пути. Одни родились в нашей Галактике, другие были захвачены, когда Млечный Путь поглощал карликовые галактики-спутники. Различить их можно по химическому составу, но у астрономов появился новый инструмент — динамический возраст.

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.