тёмные века

В первые полмиллиарда лет после Большого взрыва галактики росли как на дрожжах. Газ стремительно падал в них и схлопывался в звёзды, не встречая сопротивления. Этот период называют «беспрепятственным звездообразованием». Всё равно что жарить блины на раскалённой сковороде без крышки: брызги летят, но никто их не сдерживает.

В системе KH 15D две молодые звезды обращаются вокруг общего центра масс, а между ними и земным наблюдателем расположен обширный пылевой диск — своего рода космический занавес, который периодически закрывает звёзды или приоткрывает их. На протяжении семидесяти пяти лет астрономы следили за этим «театром теней»: иногда свет системы почти угасал, иногда вспыхивал с новой силой.

Когда в галактике рождаются звёзды, их ультрафиолетовое излучение возбуждает атомы водорода, заставляя его светиться — как неоновая вывеска, но в космических масштабах. Этот свет мог бы многое рассказать о темпе звездообразования, но по пути к нам он проходит сквозь космическую пыль — микроскопические твёрдые частицы.

Спектрограф JWST поймал едва заметный провал в спектре далёкой галактики — две линии, как тени, оставленные холодным газом. Это линии натрия, тот самый жёлтый свет уличных фонарей. Здесь, на краю видимой Вселенной, они выдают неспешный выдох галактики, возвращающей вещество обратно в космос.

Кипящая вода в кастрюле — вот с чего стоит начать. Пузыри пара всплывают, лопаются, и поверхность успокаивается. Примерно так же в первые мгновения жизни Вселенной могло вести себя особое поле, заполнявшее пространство: в нём надувались и сталкивались пузыри новой фазы — как островки пара в жидкости.

Долгое время в космологии царило убеждение, идущее от Хокинга: в радиационную эпоху первичные чёрные дыры не растут.

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».

Тёмная материя остаётся одной из величайших загадок современной физики. Ещё Вера Рубин, наблюдая вращение галактик, доказала, что видимого вещества недостаточно, чтобы удержать звёзды от разлёта.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная раздулась с невообразимой скоростью. Это раздувание оставило после себя рябь — мельчайшие уплотнения в горячем излучении и плазме. Когда Вселенная остыла, эти сгустки начали жить своей жизнью: одни рассеялись, а другие, самые плотные, сжались в черные дыры.

История началась с нехватки массы. В 1930-х Фриц Цвикки, измеряя скорости в скоплениях галактик, первым заподозрил присутствие невидимого вещества. Позже Вера Рубин показала, что окраины спиральных галактик вращаются слишком быстро для видимой материи.

В бескрайней ночи космоса галактики сходятся в неспешном гравитационном танце, чтобы слиться воедино. Такие столкновения — не лобовые удары, а скорее медленное движение пальцев сквозь воду, оставляющее за собой вихри и хвосты.

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.

Ранняя Вселенная пережила стремительное раздувание — инфляцию. За ничтожные доли секунды крошечные квантовые дрожания растянулись до размеров галактик и стали зародышами всей крупномасштабной структуры.

Костёр прогорает не сразу. Если бросить взгляд на пламя в случайный миг, видно лишь мешанину огненных языков — и никогда не понять, что именно сгорело: мокрая ветка, старый журнал или охапка сухой травы. Но стоит наблюдать за костром час за часом, в его пляске проступают ритмы: всплеск жара, затишье, смена цвета. Эти ритмы рассказывают о том, что было брошено в огонь.

Цивилизации во Вселенной разделены не только расстоянием, но и пропастью времени. Поиск их следов сродни археологии: вместо руин дворцов — облака космической пыли.

Происхождение горячего Большого взрыва — одна из величайших загадок. Привычная картина: после инфляции поле инфлатона передаёт энергию обычным частицам, разогревая Вселенную. Однако тёмная материя и тёмная энергия подсказывают, что у природы есть скрытые секторы.

Губка, брошенная в ведро с водой, жадно впитывает влагу и разбухает на глазах. Но если воду постоянно доливать, а губку то сжимать, то отпускать, впитывание становится сложнее и длится дольше. Примерно так вели себя крошечные чёрные дыры в самом начале жизни Вселенной.

Наша Солнечная система — не остров в пустоте, а чуткая паутина, натянутая в тёмном космическом углу. Планеты кружат по своим орбитам, словно капли росы на нитях, а мы — паук, который ощущает малейшее дрожание. Именно эта дрожь и выдаёт приближение катастрофы, которую астрономы называют Большим разрывом.

Телескоп JWST зарегистрировал в молодой Вселенной множество ярких галактик. Их ультрафиолетовое излучение почти не поглощалось космической пылью – мельчайшими твёрдыми частицами, рассеянными в межзвёздном пространстве, – вопреки прежним ожиданиям.

В раскалённом котле ранней Вселенной вакуум, словно переохлаждённая жидкость, мог вскипать пузырями новой фазы. Долгое время физики возлагали надежды на эти пузыри как на источник первичных чёрных дыр (ПЧД) — идеальных кандидатов в тёмную материю.

В саду, где первые же цветы не просто распускаются, а тут же роняют семена далеко за ограду, есть что-то невероятно щедрое. Похожее происходило в юной Вселенной. Галактики, возникшие спустя каких-то 500–700 миллионов лет после Большого взрыва, уже были окружены газом, полным углерода, кремния и кислорода — элементов, которые рождаются только внутри звёзд.

В огромном тёмном зале кто-то невидимый задевает струны. Космический газ — разреженный водород, заполнявший юную Вселенную, — похож на натянутые струны, которые могут звучать на радиоволне длиной 21 сантиметр. Это водород шепчет о своей температуре.

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.

После Большого взрыва космос заполнила смесь нейтральных газов — преимущественно водорода и гелия. Эта холодная материя окутала Вселенную, словно плотный утренний туман, непроницаемый для излучения. Наступила эпоха, называемая Тёмными веками.

Плотность в центре нейтронной звезды такова, что чайная ложка её вещества весила бы как гора. Физики давно пытаются понять, насколько массивной может быть такая звезда, прежде чем она схлопнется в чёрную дыру.

В 2015 году астрономы разглядывали скопление галактик Волосы Вероники и заметили нечто странное: огромные, но почти невидимые «пушинки». Эти галактики по размеру как наш Млечный Путь, но светят в сотни раз слабее. Их назвали ультрадиффузными — то есть «предельно размытыми».

Первые звёзды зажглись из облаков, в которых не было ничего, кроме водорода и гелия. Тяжёлые элементы — углерод, кислород, железо — появились позже, внутри звёзд. Но среди тех первенцев могли быть и лёгкие звёзды, массой чуть меньше Солнца. Такие живут очень долго, миллиарды лет, и могли дожить до наших дней.

В центре Млечного Пути, среди плотной россыпи звёзд, прячется шаровое скопление Тонанцинтла 2. Его не замечали десятилетиями, хотя оно хранит ключ к самой ранней истории нашей Галактики. Теперь астрономы рассмотрели его с помощью космического телескопа «Хаббл» и наземного спектрографа APOGEE — и выяснили, что это одно из древнейших звёздных семейств во Вселенной.

В младенческой Вселенной, сразу после Большого взрыва, пространство стремительно расширялось, и вакуум напоминал перегретую жидкость. Когда началось «закипание», возникли пузыри истинного вакуума.

Через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва Вселенная напоминала бескрайний тёмный океан, затянутый густым туманом из нейтрального (неионизированного) водорода. Затем что-то рассеяло мглу: ультрафиолетовое излучение выбивало электроны из атомов, делая газ прозрачным, как чистая вода.

После Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую, плотную среду. В сгустках тёмной материи — загадочного невидимого вещества, проявляющего себя исключительно через гравитацию, — частицы, сталкиваясь, аннигилировали, то есть исчезали, преобразуясь в мощное излучение.