телескоп «Ферми»

Маяк на краю галактики мигает без расписания: то молчит годами, то за один день выдаёт сотни вспышек. За таким маяком нужен вахтенный, который не спит и не отвлекается. С 2008 года эту вахту несёт гамма-монитор Fermi GBM на орбите Земли, и его журнал только что пополнился самой полной записью за всю историю наблюдений.

Гамма-лучи — это самый энергичный свет во Вселенной, электромагнитное излучение с экстремально короткими длинами волн. Но одна их часть, средняя по силе, долго оставалась невидимой: приборы не могли её поймать, и в небе зиял пробел. Учёные называют его «пробелом МэВ» — по единице энергии, мегаэлектронвольту, которую эти лучи несут.

Представьте огромный стадион, заполненный людьми в чёрном. Вы стоите снаружи и пытаетесь понять, что там внутри, хотя не видите ни одного человека. Но если двое столкнутся и обменяются яркими футболками — вы заметите вспышку цвета. Именно так астрономы ищут тёмную материю — гипотетическую форму материи, которая не излучает и не поглощает свет, но проявляет себя через гравитацию.

Вселенная похожа на огромный невидимый каркас. Мы не видим его напрямую, но знаем, что он есть: галактики и скопления держатся вместе именно благодаря ему. Этот каркас — тёмная материя, гипотетическая форма материи, не испускающая и не поглощающая свет, но проявляющая себя через гравитацию.

Глубоко подо льдом Южного полюса, на глубине почти два с половиной километра, работает необычный телескоп. Он направлен не в небо, а сквозь Землю. Его добыча — нейтрино, частицы-призраки, которые почти не взаимодействуют с веществом и пролетают планеты и звёзды насквозь. Но иногда нейтрино всё же врезается в молекулу льда.

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.

Гамма-небо, запечатлённое телескопом Fermi, — это грандиозная симфония из тысяч источников. Здесь ритмичные пульсации пульсаров, мощные аккорды активных ядер галактик, но больше всего — неотождествлённых объектов, чья партия остаётся загадкой.

Полвека назад Фриц Цвикки заметил, что видимой материи в скоплениях галактик катастрофически не хватает для объяснения гравитации. Сегодня мы знаем, что значительная часть обычного вещества — те самые барионы — прячется в разреженной плазме между звёздами и галактиками, в гигантской паутине из водорода и гелия.

Где-то в глубине космоса на долю секунды вспыхивает радиомаяк — и гаснет. Такие сигналы называют быстрыми радиовсплесками. Они приходят из других галактик и длятся от микросекунд до миллисекунд. За это мгновение всплеск выбрасывает столько же энергии, сколько самые мощные взрывы на нейтронных звёздах в нашем Млечном Пути.

В созвездии Орла, на расстоянии около 40 тысяч световых лет от нас, работает один из самых мощных природных ускорителей в Галактике. Это микроквазар GRS 1915+105 — пара из обычной звезды и черной дыры. Черная дыра перетягивает на себя вещество звезды и выбрасывает его в виде двух узких струй, разогнанных почти до скорости света.

Почти полтора десятилетия назад гамма-телескоп Fermi зарегистрировал загадочные «пузыри» — гигантские сгустки плазмы, словно надутые невидимыми лёгкими, вздымающиеся на десятки тысяч световых лет от центра Галактики.

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.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, подобные вибрациям гигантской космической струны. Обычные детекторы, такие как LIGO и Virgo, улавливают низкочастотные «ноты» — возмущения от слияния массивных чёрных дыр звёздных масс.

В самом сердце Млечного Пути что-то светится — но не звёздным светом, а невидимыми глазу гамма-лучами. Телескопы ловят этот избыток уже больше десяти лет, и астрофизики спорят: то ли виноваты быстро вращающиеся мёртвые звёзды — пульсары, то ли частицы тёмной материи сталкиваются и исчезают во вспышке.

Общая теория относительности Эйнштейна описывает, как масса искривляет пространство и время. Эти предсказания многократно проверяли в слабых полях, например, вблизи Земли, но самые суровые испытания теории скрыты у горизонта чёрных дыр — объектов, где кривизна пространства-времени достигает экстремальных значений.

Гамма-всплеск GRB 221009A полыхнул так ярко, что его назвали «ярчайшим за всё время». Обсерватория LHAASO поймала от него гамма-кванты с энергией вплоть до 13 ТэВ — это в тысячи раз больше, чем энергия частиц в рентгеновском кабинете.

Космический гамма-телескоп Ферми на протяжении 17 лет регистрировал гамма-излучение от активных ядер галактик, в центре которых находятся сверхмассивные чёрные дыры.

Светлячки вспыхивают в тёмном лесу — видно каждую вспышку, но не видно полёта. Квантовый газовый микроскоп умеет показывать отдельные холодные атомы, как те светлячки. Но до сих пор он не мог сказать, с какой скоростью они движутся. Теперь учёные нашли способ это исправить. Они предлагают подсвечивать атомы особым образом, чтобы те как бы «отбрасывали тень» на соседние вспомогательные частицы.

Тёмная материя — невидимая субстанция, удерживающая галактики от разлёта под действием центробежных сил. Если гипотетические частицы тёмной материи изредка распадаются вблизи Солнца, они выбрасывают потоки быстрых частиц — словно невидимые молоты, бьющие по свету.

Гамма-лучи с энергией выше ста триллионов электронвольт — как камни, брошенные с невероятной силой. Долгое время считалось, что запустить такие «камни» могут только протоны — тяжёлые частицы, разогнанные в космических ускорителях. Но новая работа показывает: иногда хватает и лёгких электронов.

Свет от лазера — как идеально ровный ряд солдат на параде: все волны колеблются в одной плоскости. Такой свет называют поляризованным. В новой работе физики впервые получили поляризованные гамма-лучи, сталкивая электроны с мощным лазерным импульсом. Спектроскопия здесь не нужна — поляризацию измерили по разлёту нейтронов из дейтериевой мишени.

Гамма-всплеск — это как выстрел из космической пушки: короткая, но ослепительная вспышка, которая на несколько секунд затмевает целую галактику. Но если смотреть на неё в самый жёсткий гамма-диапазон (фотоны с энергией выше гигаэлектронвольта), то сигнал часто теряется в шуме — как тихий шёпот в шумном зале.

Физики заперли облачко атомов лития в оптический резонатор — между двумя зеркалами. Свет мечется внутри, словно в эхо-комнате, многократно отражаясь, и заставляет атомы синхронно излучать. Возникает сверхизлучение — коллективное испускание фотонов, подобное хору, где отдельные голоса сливаются в единый гром.

В октябре 2022 года космос устроил фейерверк, который заметили все детекторы на Земле. Взрыв, получивший имя GRB 221009A, был настолько ярким, что его назвали «самым ярким за всю историю наблюдений». Это гамма-всплеск — короткая, но чудовищно мощная вспышка, которая за секунды выбрасывает столько энергии, сколько Солнце не выработает за всю свою жизнь.

Двадцать восемь секунд — столько времени понадобилось автоматической камере, чтобы навестись на вспышку в созвездии, до которого свет шёл больше девяти миллиардов лет. Телескоп в чешской обсерватории Ондржейов сработал как пожарная сигнализация: едва спутник засёк гамма-всплеск, робот развернул трубу и начал фотографировать небо каждые несколько секунд.

Гамма-лучи — это самые энергичные вспышки света, какие только рождаются в глубинах атомов. Их энергия — как отпечаток пальца: у каждого радиоактивного элемента свой узор. Но измерить этот узор с высокой точностью — всё равно что взвесить песчинку на весах, стоящих на грузовике с вибрацией. Новая установка работает как сверхчувствительный термометр.

Тёмная материя — как невидимый клей, который держит галактики вместе. Она не испускает свет, но если её частицы сталкиваются, может вспыхнуть гамма-излучение. Учёные искали такие вспышки в карликовых галактиках — маленьких звёздных скоплениях, где тёмной материи очень много, а обычной почти нет.

Пожарный с тепловизором видит очаг возгорания сквозь дым. А как увидеть источник радиации, который не пахнет, не светится и не греет? Гамма-камеры решают эту задачу: они ловят гамма-лучи, испускаемые радиоактивными веществами, и накладывают их «след» на обычную фотографию. Получается снимок, где видно, что источник находится, скажем, за дальней дверью.

В ускорителе частиц электроны мчатся по кругу почти со скоростью света. Когда такой электрон сталкивается с фотоном — частицей света, — фотон отскакивает, как мячик от летящего грузовика, и улетает с гораздо большей энергией.

В октябре 2022 года космический детектор GECAM-C зафиксировал мощнейший гамма-всплеск GRB 221009A — взрыв, который на короткое время стал самым ярким источником гамма-лучей в небе. Но самое интересное началось после: прибор поймал серию дополнительных вспышек, и одна из них оказалась рекордной.

Семь миллиардов лет назад чёрная дыра в центре далёкой галактики породила вспышку гамма-излучения — самого энергичного вида электромагнитных волн — невероятной мощности. В декабре 2017-го этот свет, преодолев космические бездны, был зарегистрирован наземной системой телескопов MAGIC.

Свет далёких галактик, проходя сквозь массивные скопления вещества, испытывает искажения — подобно тому, как дно бассейна кажется раздробленным из-за ряби на поверхности воды.

Бросьте горсть камешков вдоль тесного ряда столбиков: они рикошетом разлетятся плотным веером. Бросьте под углом — и они рассеются. Гамма-лучи в кристалле ведут себя сходным образом: они порождают каскады вторичных частиц, которые расползаются в стороны, если атомные ряды кристалла не выстроены идеально. Но стоит совместить их с точностью до толщины волоса — и каскад стягивается в узкий направленный пучок.

В кузнечном горне струя воздуха раздувает жар углей, и ударные волны выдувают пузыри раскалённого газа. В центрах галактик аналогичный процесс запускает сверхмассивная чёрная дыра — объект с гравитацией столь мощной, что даже свет не может её покинуть.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро коллапсирует, а внешние слои выбрасываются в пространство со скоростью в тысячи километров в секунду. Так рождается остаток сверхновой — расширяющееся облако ударно-сжатого газа, простирающееся на световые годы.

В центре Млечного Пути кипит исполинский звёздный котёл. Там рождаются и умирают массивные светила: каждая гибель — это взрыв сверхновой — финальная стадия жизни массивной звезды, когда она сбрасывает оболочки, выбрасывающий в пространство облака заряженных частиц.

Семь часов подряд космический гамма-телескоп регистрировал вспышки, которые не желали заканчиваться. Так началась история GRB 250702B — самого длинного гамма-всплеска в истории наблюдений. Обычные всплески длятся секунды, реже — минуты. Этот растянулся на 25 000 секунд, вдвое побив предыдущий рекорд.

Каждую секунду сквозь каждого из нас пролетают десятки частиц из космоса. Большинство — лёгкие протоны, но попадаются и ядра атомов потяжелее: углерод, кислород, железо. Они рождаются во взрывах звёзд и летят к Земле миллионы лет. Их энергия бывает чудовищной: одна частица может нести столько же, сколько теннисный мяч на подаче.