галактическое гало

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.

Река, нарисованная на карте, — всегда одна линия. Но встань на берег, и увидишь: внутри русла есть струи побыстрее, водовороты, рукава, которые то сливаются, то расходятся. Космическая паутина — та же река, только из тёмной материи, и до недавнего времени астрономы рисовали её одной линией.

Скопление галактик RXC J0528.9−3927 похоже на город, окутанный туманом: в центре ярко светит радиоореол, а дальше, за пределами привычных границ, астрономы разглядели едва заметное свечение. Оно тянется на два миллиона световых лет — втрое дальше, чем сам ореол. Телескоп MeerKAT в Южной Африке собирал этот тусклый свет 12,9 часа, как фотограф, снимающий ночное небо с длинной выдержкой.

Ночное небо кажется чёрным, но если убрать звёзды и долго копить свет, проступит тусклое свечение — суммарный свет всех галактик, рождавшихся за 13,8 миллиарда лет. Астрономы называют его внегалактическим фоновым светом.

Галактика Андромеды — наш ближайший крупный сосед, и у неё, как и у Млечного Пути, есть невидимая газовая шуба. Эта шуба из очень горячего, разреженного газа простирается на сотни тысяч световых лет. Увидеть её напрямую почти невозможно — газ слишком тусклый.

Самые массивные звёзды напоминают перекачанные воздушные шары: их оболочка перестаёт растягиваться и вместо этого начинает стремительно терять вещество. На определённом этапе потеря массы становится столь интенсивной, что звезда прекращает увеличиваться в размерах.

В центре галактики сидит сверхмассивная чёрная дыра, а вокруг неё раскинулось огромное разреженное облако тёмной материи. Оно не светится, не греет, но своей тяжестью искривляет пространство и меняет правила игры для всего, что крутится рядом.

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.

В галактике NGC 1052 DF2 звёзды движутся со скоростью всего 8 километров в секунду — будто никакой невидимой массы вокруг нет. Для сравнения: в нашем Млечном Пути окраинные светила разгоняются до 200 километров в секунду, удерживаемые массивным гало тёмной материи.

Три невидимые струны колеблются в межгалактической пустоте. Это не поэзия, а гипотеза о природе тёмной материи — сверхлёгком квантовом поле со спином 1, несущем три поляризации.

Тёмную материю не видят в телескопы, но её гравитацию полвека назад выдала Вера Рубин. С тех пор физики перебрали десятки гипотез, и одна из самых элегантных — первичные чёрные дыры, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва.

Космический детектив длиной в полтора десятилетия принёс неожиданную улику. Телескоп Ферми, который сканирует небо в гамма-лучах, засёк ровное, слабое свечение, окутывающее весь Млечный Путь. Оно не похоже на свет звёзд или горячего газа — скорее на тусклую, но всепроникающую дымку.

Тёмная материя — невидимая основа космической архитектуры — составляет 85% всей массы, но ускользает от прямого наблюдения. В 1920-х Эдвин Хаббл открыл расширение Вселенной и мир галактик, а уже в 1930-х Фриц Цвикки заподозрил скрытую массу в их скоплениях.

Вы помните нашумевшую комету 1I/Оумуамуа — первый объект, пришедший к нам от другой звезды? Её гиперболическая траектория не оставляла сомнений: это странник из межзвёздной пустоты. Но астрономы задались вопросом: а не может ли часть таких гостей быть вовсе не чужаками, а нашими собственными, сбежавшими из Солнечной системы миллионы лет назад?

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.

Планета размером с Нептун подошла слишком близко к своей звезде. Звезда начинает перетягивать на себя верхние слои планеты — газ стекает с неё, как вода из переполненного ведра. Этот процесс называют перетеканием через полость Роша (так астрономы обозначают границу, за которой звезда уже может отрывать вещество от планеты).

Юный супер-юпитер TWA5B — раскалённый шар массой в 25 Юпитеров — парит всего в полусотне световых лет от нас. Его тусклое инфракрасное свечение долго скрывало химический состав. Теперь высокоразрешающая спектроскопия с CRIRES+ зарегистрировала призрачный след SiO — монооксида кремния.

В безмолвном театре космоса пьеса жизни звезды идёт миллиарды лет. Но иногда на сцену проникает невидимый режиссёр — первичная чёрная дыра. Этот сгусток тёмной материи, рождённый в первую секунду бытия (как предсказывал Стивен Хокинг), массой с астероид и размером с атом, может быть захвачен звездой.

Среди драгоценных россыпей ранней Вселенной, запечатлённых Джеймсом Уэббом, есть объекты, похожие на рубиновые бусины, рассыпанные по чёрному бархату. Это «маленькие красные точки» (LRD) — компактные источники с крутыми красными спектрами, внутри которых прячутся сверхмассивные чёрные дыры до ста миллионов солнечных масс.

Огромный вращающийся блин из газа и пыли окружает молодую звезду. В таком «родильном доме» для планет часто видят кольца и промежутки — будто невидимый плуг прочертил борозды. Обычно их связывают с уже сформировавшимися планетами, которые своей гравитацией расчищают дорожки.

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.

Недавно астрономы зафиксировали три межзвёздные кометы — ледяные тела, прибывшие из-за пределов Солнечной системы. Одна из них, 3I/ATLAS, выделилась необычно крупными размерами: её ядро достигает нескольких километров в поперечнике.

Сразу после Большого взрыва пространство-время покрылось рябью — гравитационными волнами, словно от брошенного камня. Эти колебания самой ткани мироздания, предсказанные в инфляционной модели Аланом Гутом, растянулись на всю Вселенную. Рябь слегка уплотнила первичное вещество в одних местах и разре́дила в других.

Облако Оорта — это сферический рой из триллионов ледяных тел на самой границе Солнечной системы, примерно в световом годе от Солнца. Эти объекты почти неподвижны относительно друг друга, пока какое-то гравитационное возмущение не нарушит их покой.

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.

На окраине нашей Галактики, далеко за привычным звёздным диском, телескоп Субару разглядел нечто неожиданное: рассеянное звёздное облако, растянувшееся по небу на площадь в сто квадратных градусов.

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.

В скоплении Наугольник, ближайшем к нам богатом скоплении галактик, астрономы заметили ударную волну. Она возникла, когда одно скопление врезалось в другое, как волна от носа корабля, рассекающего воду. Эта волна сжала и разогрела газ между галактиками. Две галактики оказались прямо за фронтом волны. У первой, ESO 137-001, газ срывается потоком, как листья с дерева на сильном ветру.

На окраине скопления Девы, где галактики теснятся, но ещё не слиплись в плотный ком, находится VCC 693. Внешне это заурядный карлик: небольшое облако звёзд и газа. Но астрономы заподозрили, что за спокойным обликом скрывается бурное прошлое. С помощью радиотелескопов VLA и FAST они заглянули в распределение водорода — главного строительного материала для 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».

В скоплении галактик Волосы Вероники, на расстоянии около 320 миллионов световых лет от нас, раскинулось невидимое для глаза облако. Оно светится в радиодиапазоне — это радиоореол, гигантское скопление заряженных частиц, разогнанных почти до скорости света.

В холодном и тёмном облаке газа, где только начинает формироваться звезда, телескоп ALMA разглядел необычное кольцо. Оно состоит из газа, который теплее и плотнее окружающей среды. Раньше такие детали не удавалось увидеть, потому что газ в центре облака непрозрачен для обычных наблюдений.

В радиоданных неба, как на старой фотоплёнке, проявились две светлые полосы газа. Они движутся с разными скоростями, но висят рядом с одной и той же тусклой звездой. Звезда и полосы оказались внутри огромного пустого пузыря в межзвёздном газе. Этот пузырь — как выдутый мыльный шар, оставшийся после взрыва древней сверхновой.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была почти однородной — как ровное тесто. Но уже через миллиард лет в некоторых местах тесто начало подниматься быстрее: возникли сгустки из сотен галактик, которые астрономы называют протоскоплениями. Это зародыши будущих гигантских скоплений, самых массивных связанных структур во Вселенной.

Анализируя цветовые метки — соотношение яркости в разных спектральных диапазонах на снимках космического телескопа «Джеймс Уэбб», астрономы выявили галактики, свет которых резко обрывается в ультрафиолетовой области.

Нейтронная звезда — это спрессованный остаток массивного светила: вещество в ней сжато до такой степени, что его гора размером с напёрсток обладает колоссальной плотностью.

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.