ранняя тёмная энергия

Костёр, который гаснет не сразу, а тлеет часами, потому что дрова внутри ещё хранят жар прошлого пламени. Примерно так работает эффект памяти у чёрных дыр — объектов с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может их покинуть.

Шесть бегунов мчатся по дорожке, и судьи замеряют их скорость, не замечая попутного ветра. Ветер дует всем в спину, и секундомеры показывают результат лучше истинного. Примерно так шесть мегамазеров — естественных космических лазеров в далёких галактиках — ввели в заблуждение астрономов, измерявших скорость расширения Вселенной.

Чёрная дыра — не вечный пылесос. Она медленно теряет массу, испуская частицы, словно нагретый камень, который остывает, отдавая тепло. Этот процесс, открытый Стивеном Хокингом, для больших дыр идёт еле заметно, но для крошечных — массой с гору — превращается в бурное испарение.

В 1929 году Эдвин Хаббл навёл телескоп на далёкие галактики и обнаружил: они разбегаются. Девяносто лет спустя два измерения скорости этого разбегания — по древнему свету и по близким звёздам — упрямо не сходятся. Расхождение в 9% не спишешь на погрешность. Словно Вселенная в детстве и в зрелости живёт по разным часам. Представьте детские качели.

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.

Через три минуты после Большого взрыва Вселенная играла свою первую симфонию. Это был Большой взрыв нуклеосинтез — образование лёгких ядер, где каждый элемент звучал своей нотой, а темп задавался расширением пространства.

Вселенная остывала, как гигантская ванна после горячего начала. Через 400 000 лет после Большого взрыва водород уже готов был рекомбинировать — протоны ловили электроны, чтобы стать нейтральными атомами. Но где-то в этой тёмной воде продолжал капать кран.

Космологический спор напоминает ситуацию, когда два мастера меряют одну и ту же стену, но получают разную длину. Один использует рулетку, прикладывая её к ближайшим ориентирам — цефеидам (пульсирующим звёздам-маякам) и сверхновым типа Ia (вспышкам умирающих звёзд). У него выходит, что стена растягивается со скоростью 73.5 условных единиц.

С тех пор как Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, закон расширения Вселенной — закон Хаббла — остаётся краеугольным камнем космологии.

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

Представьте космический оркестр, исполняющий симфонию от Большого взрыва до наших дней. Дирижёр — тёмная энергия — долгое время казался бесстрастным метрономом: космологическая постоянная Λ неподвижна, как палочка, застывшая в воздухе.

Представьте, что вы подбираете ключ к замку, но рука чуть дрожит — и ключ не подходит. Учёные проверяли, как Вселенная «дрожала» в первые мгновения, сравнивая данные телескопов. Оказалось, что если добавить в раннюю Вселенную немного «тёмной энергии», которая ускорила её расширение, то выводы меняются.

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.

В конце 1990-х звёздное небо преподнесло сюрприз: Сол Перлмуттер и Адам Рисс обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. С тех пор главной загадкой остаётся тёмная энергия — субстанция, составляющая почти 70% космоса, но ускользающая от лабораторного изучения.

В раскалённой плазме младенческой Вселенной, сразу после инфляционного расширения, придуманного Аланом Гутом, царила эпоха кинетического доминирования.

Вселенная — огромный оркестр, исполняющий партитуру расширения. Галактики разбегаются в такт неслышной музыке тёмной энергии. Но вот беда: дирижёрская палочка, которую держат Эдвин Хаббл, Адам Рисс и Вера Рубин, задаёт два несовместимых темпа.

Космологическая постоянная Эйнштейна — досадная ошибка или прозрение, вернувшееся бумерангом? Ускорение Вселенной застало физиков врасплох: ΛCDM работает, но почему энергия вакуума столь нелепо мала? Вообразите океан, штормящий квантовыми флуктуациями, но на поверхности — лишь микроскопическая рябь.

Десятилетиями два независимых метода измерения скорости разлёта галактик — постоянной Хаббла — давали противоречивые цифры. Ситуация напоминала комнату с двумя термометрами, показывающими разную температуру. Один метод опирался на наблюдения близких сверхновых звёзд, другой — на анализ древнего света, реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.

Две линейки показывают чуть-чуть разную длину одного и того же стола. Примерно так выглядит ситуация в космологии с постоянной Хаббла — числом, которое говорит, как быстро расширяется Вселенная.

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.

Чёрные дыры теряют массу подобно тому, как вода испаряется из ведра, оставленного на солнце, — этот процесс, известный как излучение Хокинга, был теоретически предсказан Стивеном Хокингом.

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.

Расширение Вселенной, открытое Эдвином Хабблом, подарило нам картину юного космоса, но вместе с тем — непростые вопросы.

Акустическая чёрная дыра — это поток жидкости, движущийся быстрее скорости звука в данной среде, так что звуковые волны не могут покинуть определённую область.

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.

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.

Вселенная расширяется, и в её истории есть два удивительных эпизода, которые пока не укладываются в простую картину. Первый — короткий период в молодости, когда всё разлеталось быстрее, чем ожидалось, словно кто-то нажал педаль газа. Второй — сегодняшнее ускорение, будто та же педаль снова утоплена, но уже мягче.

Маятник качается в густом сиропе. В первые доли секунды он движется быстро, но сироп тормозит его, а потом вдруг становится жиже — и маятник снова ускоряется. Нечто похожее могло происходить с нашей Вселенной. Вскоре после Большого взрыва, когда мир был горячей плазмой, в нём ненадолго включилась тёмная энергия — загадочная сила, расталкивающая пространство.

Крошечная чёрная дыра — не больше атомного ядра — парит в облаке водорода. Она не заглатывает всё вокруг, а медленно истекает излучением, худея с каждым мгновением. Так кастрюля на плите закипает не сразу: сначала по дну бегут пузырьки, потом вода бурлит всё сильнее.

Прожектор светит сквозь тёмный зал. Между лампой и стеной проплывает невидимая линза — и пятно света на мгновение становится ярче, чуть смещается. Именно это пять ночей подряд высматривал телескоп DECam, нацеленный на Большое Магелланово Облако — галактику-спутник нашего Млечного Пути. Он поймал вспышку длиной всего в час.

Кусочек сахара весит около грамма. А чёрная дыра, способная спрятаться в таком кусочке, весила бы как небольшая гора — миллиарды тонн. Но даже такие малютки, рождённые в первые мгновения после Большого взрыва, по идее давно исчезли. Их сжигало собственное излучение — словно кубик льда на раскалённой сковороде, только вместо воды улетала энергия.

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.

Крошечная чёрная дыра размером с атомное ядро, но массой с гору возникла в первые мгновения после Большого взрыва, когда случайные сгустки энергии схлопывались в такие объекты.

Загадка тёмной материи, впервые замеченной в звёздных водоворотах Веры Рубин, терзает физику без малого век. Одна из самых дерзких гипотез — первичные чёрные дыры, родившиеся в раскалённом бульоне ранней Вселенной. Обычно их появление связывают с квантовыми флуктуациями во время инфляции, требующими тонкой настройки параметров.

Сразу после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное расширение — космологическую инфляцию.

Пруд, по которому бегут круги от упавшего камня. Так и в масштабах Вселенной: внезапный выброс энергии в тёмном секторе — невидимой субстанции, которая не излучает свет, — порождает рябь в ткани пространства. Эта рябь меняет путь частиц света, летящих к нам от самого рождения космоса. Авторы новой работы построили математический аппарат, чтобы описать эти искажения.

Детекторы гравитационных волн ловят низкочастотный гул, похожий на шум далёкого водопада. Телескоп Уэбба находит в ранней Вселенной галактики с чёрными дырами, которые кажутся слишком массивными для столь юного возраста.

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.

Крошечная чёрная дыра — размером с атом, но массивная, как гора. Она родилась не из звезды, а в первые мгновения после Большого взрыва, и всё это время тихо теряла массу, испуская тепло. К концу жизни она разогревается так, что за секунды выбрасывает поток частиц, сравнимый с энергией целого звёздного взрыва.

Космологический спор напоминает двух мастеров, которые мерят одну и ту же комнату разными рулетками. Один, глядя на далёкие галактики, получает одно число. Другой, всматриваясь в древнее свечение — реликтовое излучение, остывший свет Большого взрыва, — получает другое, меньшее. Это расхождение называют напряжением Хаббла.