звездообразование в ранней Вселенной

Старый город обзаводится новыми предместьями. В центре — узкие улочки, где жизнь почти замерла, а на окраинах кипит стройка. Так выглядит спиральная галактика, в ядре которой звёзды давно состарились, а во внешнем диске всё ещё рождаются новые.

В далёкой галактике свет от раскалённого газа должен был рассказать о её составе. Телескоп Джеймса Уэбба разложил этот свет в спектр, и астрономы увидели: линии кислорода слишком слабы. Вывод напрашивался сам собой — галактика почти не содержит элементов тяжелее гелия, она из тех первозданных систем, что не успели обогатиться металлами.

Тусклые галактики, рассеянные по скоплению Персея, напоминают призраков среди ярких соседей: они настолько разрежены, что сквозь них просвечивают далёкие объекты, а звёзд в них в сотни раз меньше, чем в нашем Млечном Пути.

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 первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стадию стремительного расширения — инфляцию. Даже физический вакуум тогда не был спокоен: квантовые флуктуации раскачивали фундаментальные поля, словно ветер колосья в поле.

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.

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.

Два города пережили череду пожаров. В одном ветер разносит пепел далеко за окраины, и небо остаётся чистым. В другом — пепел оседает плотной завесой, окрашивая закаты в багровый. Примерно так же, только в масштабах галактик, работают взрывы сверхновых — финальные вспышки массивных звёзд.

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

Массивные звёзды — это космические титаны, чья жизнь проходит под знаком неукротимой энергии. Когда такая звезда вступает в фазу B[e]-сверхгиганта, её излучение настолько мощно, что, казалось бы, способно распылить любую молекулу на атомы.

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.

В центре крошечной галактики — плотный сгусток из звёзд и тёмной материи. Этот сгусток, называемый солитоном, не застыл на месте: он дрожит и колеблется, словно желе на тарелке. Колебания создают рябь в окружающем облаке тёмной материи, и эта рябь, как лёгкие толчки, миллиарды лет подталкивает звёзды всё дальше от центра.

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.

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.

Огромный город каждую ночь зажигает новые фонари. Но однажды налетает ураган, срывает со складов всё топливо, и фонари гаснут один за другим. Нечто похожее астрономы разглядели в галактике, свет от которой шёл к нам 12,5 миллиардов лет. Это массивная система, где звёзды рождались с бешеной скоростью — и тут же запускали механизм собственного уничтожения. В центре сюжета — галактический ветер.

Эллиптические галактики — тихие звёздные мегаполисы на пенсии. По всем законам их свет должен быть спокойным, красноватым, как закат. Но спектры кричат об обратном: в далёком ультрафиолете эти старушки полыхают, словно новогодние гирлянды. Три десятилетия астрономы ломали голову над этим «ультрафиолетовым подъёмом» (UV upturn).

С помощью телескопа Джеймс Уэбб астрономы заглянули в древний квазар — ослепительное сердце галактики, где гигантская чёрная дыра засасывает вещество. Оказалось, что она не просто разрушает, но и созидает: её мощные выбросы и ударные волны действуют как настоящая космическая мельница.

Первые два миллиарда лет после Большого взрыва — эпоха, когда Вселенная напоминала кипящий строительный котлован. Тёмная материя сбивала газ в комки, и тот вспыхивал первыми звёздами. Казалось бы, времени собрать из этого сырья массивные эллиптические галактики — «уснувшие» мегаполисы звёзд — просто не хватало.

Снимки космического телескопа «Джеймс Уэбб» обнаружили неожиданно интенсивное свечение первых галактик — колоссальных звёздных систем, сформировавшихся вскоре после Большого взрыва. Представьте: тостер подрумянивает ломтик хлеба за минуту, а духовка выпекает буханку целый час — результат, в сущности, одинаков.

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.

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.

Улица, где только что построили дома. Одни сияют чистыми окнами, другие затянуты строительной пылью. Примерно так выглядели галактики, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет. Новый телескоп «Джеймс Уэбб» заглянул в ту эпоху и увидел десятки ярких звездных островов. Удивило не их количество, а то, какими разными они оказались.

В городском парке деревья растут быстрее, чем в глухом лесу. Не потому, что почва лучше, а потому, что здесь чаще сталкиваются ветвями и обмениваются семенами. Примерно так же ведут себя галактики в протоскоплении Паутина — огромном сгустке материи, который через миллиарды лет станет зрелым скоплением.

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.

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.

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.

Крошечная чёрная дыра пролетает сквозь облако газа. Она не поглощает его, а наоборот — греет, как утюг, оставленный на мокрой ткани. От неё исходит излучение, и вокруг возникает горячее пятно — область, где температура в сотни раз выше, чем в окружающем космосе.

Тусклая лампочка вдруг начинает подсвечивать невидимые глазу узоры на стене. Примерно так астрономы смотрят на далёкие карликовые галактики — крошечные звёздные острова, бедные тяжёлыми элементами. В некоторых из них заметили слабое фиолетовое свечение ионизированного гелия (особая спектральная линия He II 4686 Å).

Аксионы — гипотетические элементарные частицы, введённые в теорию Роберто Печчеи и Хелен Квинн в 1977 году для разрешения так называемой сильной CP-проблемы в Стандартной модели физики частиц.

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.

Старинный сундук с семейными реликвиями открывается — и внутри лежат украшения, которые считались ровесниками прабабушки. Но вдруг выясняется: золото переплавляли, камни огранивали заново, и случилось это гораздо позже, чем думали. Похожая история приключилась с древнейшими частицами в метеоритах — кальциево-алюминиевыми включениями, или CAI.

Рыбацкая сеть натянута в глубинах космоса. Когда массивная звезда умирает, она оставляет после себя чёрную дыру — грузило в этой сети. Обычно такие грузила весят от нескольких до десятков солнц.

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.

В телескоп видно галактику, которая выглядит как гигантская светящаяся вертушка. Её диск простирается на тридцать тысяч световых лет — треть диаметра нашего Млечного Пути. Но самое удивительное: эта вертушка существовала уже через два миллиарда лет после рождения Вселенной. Такие большие и упорядоченные звёздные системы, как считалось, должны были собираться гораздо дольше.

Стремительный рост чёрных дыр — областей пространства-времени с гравитацией, не выпускающей даже свет — в ранней Вселенной остаётся одной из главных загадок астрофизики. Возможную разгадку предлагают квазизвёзды — гигантские газовые коконы, в недрах которых прячется чёрная дыра.

На заре Земли, около четырёх миллиардов лет назад, планета была суровым местом: тусклое солнце, частые удары астероидов, воздух без кислорода. В таких условиях первые шаги жизни кажутся почти невозможными. Но есть гипотеза, что жизнь укрылась в тёплых мелких прудах, где вода то высыхала, то вновь наполнялась.

В чрезвычайно далёкой галактике зажглась своего рода космическая неоновая вывеска: почти всё её излучение исходит от раскалённого газа, а звёзды буквально теряются в этом сиянии. Инструменты «Джеймса Уэбба» зафиксировали, что газ — смесь водорода и гелия — разогрет настолько, что светится сам, без помощи звёзд.

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».