линзирование тёмной материи

Луч света, пролетающий мимо массивного тела, огибает его, как бегун огибает угол стадиона. Для нейтронной звезды этот угол отклонения обычно считается таким же, как для точечной массы. Но если звезда окутана невидимым гало из тёмной материи, картина меняется: свет, проходящий сквозь гало, отклоняется слабее, чем предсказывает полная масса.

Невидимый гравитационный каркас удерживает галактики от разлёта. Это тёмная материя — субстанция, которая не излучает свет и почти не взаимодействует с обычным веществом, кроме как через гравитацию. Астрофизики давно спорят о её природе.

На тёмных окраинах нашей Галактики, вдали от ярких звёздных скоплений, прячутся миллионы чёрных дыр — объектов, которые не светятся и почти не поглощают вещество. Обычные методы поиска, рассчитанные на тесные звёздные поля, здесь бессильны. Нужен другой подход. Астрономы предложили использовать в качестве детектора саму ткань пространства.

Свет в линзе меняет направление — это знают все. Гравитационные волны, проходя мимо массивного тела, тоже искривляют путь. Но авторы этой работы заглянули дальше: что происходит с самим «цветом» волны — её поляризацией, то есть направлением колебаний.

23 ноября 2023 года детекторы LIGO уловили нечто странное. Сигнал гравитационных волн от слияния двух чёрных дыр, получивший номер GW231123, указывал на рекордные массы — 137 и 101 солнечных — и аномально быстрое вращение. Это была бы самая массивная и быстровращающаяся пара, когда-либо зарегистрированная.

Двести миллионов звёзд. В центре Галактики, куда нацелится будущий обзор телескопа Нэнси Грейс Роман, примерно 250 раз за миссию свет одной из них дрогнет от невидимого прикосновения. Это свободно плавающие планеты — миры, выброшенные из родных систем, — и экзопланеты земного типа, кружащие у далёких солнц.

Восемь ярких точек на радионебе. Это один и тот же квазар HS 0810+2554, чей свет прошёл сквозь гравитационную линзу — массивную галактику на переднем плане. Но обычное объяснение с гладким распределением тёмной материи в линзе оставляет зазор: предсказанные положения точек расходятся с наблюдениями на несколько миллисекунд дуги.

В 2019 году на установке LIGO зафиксировали гравитационную волну — рябь в ткани пространства-времени, — чья частотно-временная карта напоминала причудливый гребень. Каждый такой сигнал от слияния чёрных дыр оставляет уникальный узор, похожий на отпечатки пальцев.

Вселенная — гигантский концертный зал, где вместо стен и балконов парят невидимые облака тёмной материи. Этот архитектурный ансамбль не статичен: он преломляет и рассеивает проносящуюся сквозь него «музыку» — гравитационные волны от слияния чёрных дыр.

Свет далёкой звезды на мгновение усиливается, когда между ней и телескопом проходит массивный невидимый объект. Это явление — гравитационное микролинзирование — работает как природный телескоп. Обычно в роли такой линзы выступает чёрная дыра, искажающая пространство-время вокруг себя.

Свет пробивается сквозь мятую плёнку — и выходит слегка иным. Примерно так же гравитационные волны, рождённые в ранней Вселенной, ощущают на себе комковатое распределение галактик и тёмной материи.

Если чёрная дыра быстро вращается, она способна удерживать вокруг себя облако из сверхлёгких частиц — настолько лёгких, что их масса почти исчезает. Вместе они выстраиваются слоями, словно электроны в атоме, только вместо электрических сил работает гравитация. Такая конструкция копит энергию, подобно взведённой пружине.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени, порождённая далёкими катастрофами вроде слияния чёрных дыр, — настолько слабы, что зарегистрировать их напрямую всё равно что различить шёпот посреди урагана. Однако чёрная дыра способна многократно усилить этот сигнал.

Гравитация чёрной дыры вызывает искривление пространства-времени, которое действует подобно гигантской линзе: электромагнитное излучение далёкой галактики расщепляется на несколько изображений, вытягивается в дуги — это эффект гравитационного линзирования.

Два океанских лайнера идут ночью без огней. Один построен на верфи из стальных листов, другой словно вырос сам собой из пены и волн. На слух они почти неразличимы, но опытный гидроакустик уловит разницу в гуле винтов и обводах корпуса.

Астрофизика XXI века оглушает триумфами: мы поймали дрожь пространства-времени от слияния невидимых исполинов; разглядели «тень» сверхмассивного монстра в далёкой галактике; прочертили орбиты звёзд, пляшущих вокруг компактного нечто в сердце Млечного Пути. Казалось бы, вековая гипотеза обрела плоть: чёрные дыры обнаружены.

В 2019 году телескоп горизонта событий подарил человечеству первый снимок тени чёрной дыры — огненное кольцо вокруг бездны в центре галактики M87. Этот гравитационный автопортрет, написанный светом падающей плазмы, мгновенно стал иконой современной астрофизики. Но любой портрет требует интерпретации.

В 2015 году две гигантские установки в США уловили дрожь пространства — гравитационную волну от столкновения чёрных дыр. С тех пор такие сигналы ловят регулярно, но сами детекторы огромны: их плечи растянуты на километры.

Классические чёрные дыры — области пространства-времени с гравитацией настолько мощной, что даже свет не может их покинуть, — согласно общей теории относительности скрывают в своём центре сингулярность: точку бесконечной плотности и кривизны, где известные законы физики теряют смысл.

Тяжёлый волчок, запущенный рядом с чёрной дырой, летит не по той кривой, которую чертят учебники. Его собственное вращение и сплюснутость — как у тыквы, приплюснутой у полюсов, — заставляют траекторию вилять. В новой работе этот виляющий путь рассчитан точнее, чем когда-либо. Обычно считают, что маленькое тело в поле чёрной дыры движется как точка — без размера и без вращения.

Скопление галактик Пуля — это место, где столкнулись два огромных облака галактик, газа и невидимой материи. Когда свет от далёких звёзд проходит рядом с таким скоплением, гравитация искривляет его путь, как линза. Астрономы смотрят на эти искажения и вычисляют, где спрятана масса.

Слияние двух нейтронных звёзд — это как удар гонга: по Вселенной расходится дрожь пространства, гравитационная волна. Детекторы на Земле ловят эту дрожь и по её силе вычисляют расстояние до источника. Но волна летит не в пустоте: по дороге её слегка искривляют гравитационные поля скоплений галактик.

Если коротко вспыхнуть светом рядом с чёрной дырой, она ответит долгим эхом — как колокол, который продолжает звенеть после удара. Свет задерживается вблизи дыры, многократно отражаясь от невидимой границы — фотонной сферы, где лучи ходят кругами, словно звук в металле.

Слияние чёрных дыр порождает гравитационную волну — рябь пространства-времени. Иногда на её пути оказывается галактика или сгусток тёмной материи — загадочной субстанции, предсказанной Фрицем Цвикки и подтверждённой наблюдениями Веры Рубин по вращению…

Тёмная материя — невидимый океан, который, как показали наблюдения Веры Рубин за скоростями звёзд на окраинах галактик, удерживает их от разлёта: гравитационное притяжение этого океана компенсирует центробежную силу.

Свет далёкой галактики раздвоился, растроился, расчетверился — и в центре возник пятый призрак. Так выглядит HerS-3: молодая галактика, полная пыли и новорождённых звёзд, чей свет прошёл через гравитационную линзу — массивный объект, искривляющий лучи, как стекло лупы.

Гравитационные волны от слияния нейтронной звезды с чёрной дырой несут в себе отпечаток сложнейшей динамики пространства-времени. Чтобы расшифровать этот отпечаток, физики вычисляют амплитуды рассеяния — квантовые вероятности того, что два тела разлетятся под определённым углом.

Электрон, скользящий по невидимым холмам и впадинам, которые создаёт спиновая текстура, — так выглядит новая глава в физике конденсированного состояния. В квантовых материалах с плавно меняющимся направлением локализованных спинов (спиновая текстура) электрон перестаёт быть просто частицей, летящей сквозь решётку.