тень скопления галактик

Свет далёкой галактики пробивается к нам сквозь собственную пыль. Пыль эта — не ровный туман, а рваные облака, похожие на клочья ваты. Старые модели считали её однородной дымкой, и тогда галактика не сходилась по энергии: слишком много света пропадало в ультрафиолете и слишком мало возвращалось в инфракрасном. Астрономы поступили как повар, который вместо целой картофелины кладёт в суп кубики.

В июле 1969 года, когда «Аполлон-11» летел к Луне, астронавты заметили нечто необычное: короткие вспышки света, которые появлялись даже с закрытыми глазами. Сначала это списали на усталость, но вспышки повторялись у разных экипажей. Постепенно стало ясно: виноваты космические лучи — поток заряженных частиц, летящих сквозь космос с огромной скоростью.

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.

Представьте бухгалтера, который пересчитал все заводы, склады и магазины, но баланс не сходится — половина товара будто испарилась. Примерно так астрономы десятилетиями искали обычное вещество в современной Вселенной. Звёзды, газ в галактиках, плазма в скоплениях — всё это вместе давало лишь часть того, что должно быть согласно ранним эпохам.

Свет от самого начала мироздания летит к нам 13,8 миллиарда лет. За это время его поляризация — направление колебаний электромагнитной волны — могла испытать поворот, словно стрелка компаса, которую незаметно подкрутили.

Вселенная — это огромный тёмный океан. Мы видим лишь светящуюся пену на его поверхности — звёзды и галактики. А в глубине скрыты две невидимые стихии: тёмная материя — невидимое вещество, которое своей гравитацией не даёт галактикам разлететься, и тёмная энергия — загадочная субстанция, которая, наоборот, расталкивает само…

В спиральной галактике Фейерверк — 6410 звёздных яслей. Именно столько областей, где прямо сейчас рождаются массивные светила, выявил алгоритм на старых ультрафиолетовых снимках Хаббла. Это не просто пятна на картинке — у каждого есть чёткая граница, как у государства на контурной карте.

Две галактики — наш Млечный Путь и его спутник Большое Магелланово Облако — медленно кружатся друг вокруг друга. Их гравитационное притяжение встряхивает далёкие окраины Млечного Пути, словно камешек, брошенный в пруд, заставляет воду колебаться.

Температура в центре скопления галактик достигает ста миллионов градусов. Эти крупнейшие гравитационно связанные системы — естественные лаборатории, где природа прячет 85% своей массы в невидимой тёмной материи.

Холодная чёрная гладь — так миллиарды лет выглядело море тёмной энергии, невидимой субстанции, расталкивающей расширение Вселенной. Но спектрограф DESI зафиксировал едва уловимую зыбь. Застывшие звуковые волны — барионные акустические осцилляции — подсказали: с космическими расстояниями неладно.

Раскалённый бульон ранней Вселенной остывал неравномерно. В какой-то момент в нём начали лопаться пузырьки новой фазы — как пузырьки пара в закипающей воде. Только эти пузырьки были не из пара, а из нового состояния материи, в котором частицы тёмного сектора слиплись в более крупные комки. Так и могла родиться тёмная материя.

За мгновения до полного солнечного затмения по земле скользят быстрые полосы теней — будто рябь от камешков, брошенных в воду. Это явление, известное как теневые полосы, столетиями ставило учёных в тупик. Оказалось, всё дело в волновой природе света. Солнце — не точечная лампа, а огромный диск. Когда Луна почти полностью закрывает его, остаётся тонкий светящийся серп.

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.

Гигантское облако невидимого вещества работает как кривое зеркало — искажает свет далёкой галактики. По этим искажениям астрономы могут взвесить облако и заглянуть в его недра. Именно так, с помощью природной гравитационной линзы с кодом JVAS B1938+666, учёные наткнулись на странность: внутри линзы прячется объект массой в миллион солнц, но сжатый до неожиданно маленького объёма.

В центре Млечного Пути, как матрёшка в матрёшке, спрятана сверхмассивная чёрная дыра, а вокруг неё — рой звёзд и невидимая оболочка из тёмной материи. Эта оболочка, или «шип», по идее должна быть очень плотной у самого горизонта. Но звёзды и мелкие чёрные дыры, кружащие рядом, могут действовать как ложка в чашке с кофе: перемешивать и разбрасывать частицы.

Вселенная звучит. Не в привычном смысле — её симфония записана в крошечных перепадах плотности, из которых выросли галактики и мы сами. После Большого взрыва пространство было почти однородным, но квантовые флуктуации во время инфляции оставили едва заметный узор — где-то вещества чуть больше, где-то меньше.

Реликтовое излучение — это послесвечение Большого взрыва, которое мы видим на миллиметровых волнах. Но у него есть и длинноволновый хвост, уходящий в радиодиапазон. На волнах длиннее 21 сантиметра этот свет начинает поглощаться нейтральным водородом, разбросанным в далёком космосе.

Луч фонарика скользит по неровному стеклу. Стекло — это массивные скопления галактик, а фонарик — древний свет, рождённый вскоре после Большого взрыва. Проходя мимо таких скоплений, свет не просто огибает их, как вода камень. Его траектория слегка смещается вбок, и величина сдвига зависит от того, как свет «закручен» — вправо или влево.

Вселенная — не пустота, а огромный кристаллический шар, пронизанный невидимыми границами — доменными стенками, застывшими после фазовых переходов.

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.

Гигантские скопления галактик — это города из тысяч звёздных островов, удерживаемые вместе гравитацией. Внутри них кипит горячий газ, который светится в рентгеновских лучах. Если скопление недавно столкнулось с другим, в нём появляются сгустки галактик и перекосы в газе — как рябь на воде после брошенного камня.

В первые мгновения после Большого взрыва космос напоминал гигантский остывающий пруд. Как вода, замерзая, покрывается сеткой трещин, так и остывающая Вселенная могла растрескаться — но не льдом, а тончайшими нитями чистой энергии. Эти нити называют космическими струнами.

Космологи измерили, с какой скоростью разбегаются далёкие галактики в разных уголках неба. Для этого они взяли два вида «космических линеек»: скопления галактик и взрывы сверхновых определённого типа. Оба способа показали одно и то же: в одном направлении Вселенная расширяется чуть быстрее, чем в противоположном.

Пловец, рассекающий воду со скоростью бегущих по ней волн, оказывается в странном положении: волны, которые он сам же и порождает, не могут ни обогнать его, ни отстать. Они скапливаются у носа пловца и застывают. Похожее явление возникает, когда источник света движется внутри вещества со скоростью, совпадающей со скоростью переноса энергии волн.

В центре Млечного Пути, среди плотных облаков газа и пыли, есть область под названием Стрелец C. Она напоминает оживлённый перекрёсток: здесь рождаются звёзды, сталкиваются потоки вещества, и всё это подсвечивается рентгеновскими лучами. Долгое время это свечение оставалось загадкой.

Астрономы стремятся зарегистрировать радиоэхо Большого взрыва — реликтовое излучение, слабое микроволновое свечение, пронизывающее всю Вселенную.

В центре Млечного Пути вращается перемычка из звёзд — вытянутое скопление, напоминающее вращающуюся лопасть. Её гравитация создаёт вокруг ритмичное поле, подобное волнам от катера, расходящимся по воде.

Реликтовое излучение — это слабый свет, оставшийся после Большого взрыва. Оно равномерно заполняет небо, но на его пути встречаются препятствия. Одно из них — скопления галактик, внутри которых плещется очень горячий газ. Когда фотоны реликтового излучения проходят сквозь этот газ, часть из них получает дополнительный толчок и меняет энергию.

Чёрные дыры с массой, превышающей триллион солнечных, ведут себя подобно исполинским космическим зонтам. Они отбрасывают тень на тусклое послесвечение Большого взрыва — реликтовое излучение, древний свет, равномерно заполняющий всё небо.

Свет от самого раннего этапа жизни Вселенной летит к нам миллиарды лет. По пути он проходит мимо огромных скоплений галактик. Их гравитация слегка искривляет этот свет — как стекло витрины меняет вид улицы за ним. Когда скопления растут, искривление становится заметнее. Этот эффект называют эффектом Риса-Скиамы.

В галактиках Антенны, которые врезаются друг в друга, гигантские облака газа столкнулись на скорости 50 километров в секунду. Это как два поезда, несущиеся навстречу, — удар сжал газ, и он загорелся новыми звездами. Ученые направили на место столкновения радиотелескоп ALMA и увидели два облака, которые еще недавно были одним целым.

В центре скопления галактик RXCJ1558.3-1410 кипит невидимая жизнь. Горячий газ там остывает, но что-то не даёт ему сжаться и родить новые звёзды. Астрономы навели на это скопление радиотелескоп и увидели слабое свечение — мини-гало. Оно раскинулось вокруг самой яркой галактики, как туман над ночным городом.

Тёмная энергия и тёмная материя — незримые дирижёры космоса. Обычно их считают независимыми сущностями, но новое исследование предлагает видеть их партнёрами в сложном танце. Ведущая роль отводится тёмной энергии — загадочной субстанции, ответственной за ускоренное расширение Вселенной.

Тысячи вселенных родились в компьютере, чтобы однажды рассказать о нашей. Каждая — со своими скоплениями галактик, расставленными по законам гравитации, как горошины в банке, которую встряхнули с разной силой. По тому, как легли горошины, можно понять, что за рука трясла банку.

Частицы тёмной материи — таинственной субстанции, не испускающей и не поглощающей свет, — могут проявлять свойства, напоминающие патоку. В одной теоретической модели они движутся свободно, не взаимодействуя друг с другом; в другой — испытывают слабые столкновения, порождая своеобразную вязкость.

Ещё в 1970-х Вера Рубин, изучая кривые вращения галактик, обнаружила, что звёзды на их окраинах движутся слишком быстро — словно их удерживает невидимая паутина, не дающая разлететься. Ещё раньше, в 1930-х, Фриц Цвикки, анализируя движение галактик в скоплении Кома, первым заподозрил существование огромной скрытой массы.