формирование галактик

Перепись населения по форме тела: так можно описать то, что сделали астрономы с 6348 массивными галактиками. Вместо роста и веса они измерили, насколько свет сконцентрирован к центру, насколько галактика сплюснута и насколько её форма несимметрична. Потом те же измерения провели для галактик из трёх компьютерных моделей Вселенной и сравнили результаты.

В центре ультракомпактной карликовой галактики (очень плотной звёздной системы размером в десятки световых лет) работает пылесос. Только вместо пыли он всасывает газ, который сбрасывают умирающие звёзды. Этот газ не разлетается в стороны, а закручивается в воронку — вращающийся диск, который постепенно оседает на чёрную дыру.

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 вещество и антивещество должны были родиться в равных количествах — таковы законы симметрии физики элементарных частиц. Но сегодня вокруг нас — обычное вещество (протоны, нейтроны, электроны), а антивещество (антипротоны, позитроны и т.д.) почти не встречается. Куда оно делось?

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной. Её существование выводится из гравитационного влияния на движение звёзд и галактик, но состав этого каркаса остаётся загадкой. Одна из гипотез — сверхлёгкие частицы, напоминающие аксионы. Они почти не взаимодействуют с обычным веществом, однако в редких случаях могут проявлять себя.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное раздувание — инфляцию (экспоненциальное расширение пространства). Пространство растягивалось быстрее света, и квантовые дрожания вакуума — флуктуации полей, неизбежные в микромире, — превращались в настоящие частицы.

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.

Стандартная космологическая модель ΛCDM — включающая тёмную энергию и холодную тёмную материю — подобна партитуре космической симфонии. Она описывает, как после Большого взрыва расширялось пространство, как сгущалась тёмная материя и как зажигались галактики.

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.

Космос похож на шёлковую ткань с проступающими нитями тёмной паутины. Настоящие полотна мы видим лишь крохотными лоскутами — сквозь телескопы, в реальных каталогах галактик. Чтобы отделить во вселенском узоре фундаментальный сигнал от астрофизических помех, статистический анализ требует тысячи правдоподобных эскизов — синтетических карт неба. Но как их создать?

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.

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.

Туманность Ориона — витрина астрофизики, лаборатория по изучению звездообразования у нас под боком. Более века её свет расщепляют в спектры, и каждая запрещённая линия шепчет свою версию того, сколько электронов в кубическом сантиметре. Но версии не совпадают: сера твердит одно, кислород — другое, азот шепчет невообразимое.

Словно тончайший часовой механизм, многопланетная система чутко реагирует на малейший толчок. И когда звезда в центре этого механизма умирает, сбрасывая оболочку и превращаясь в белый карлик, даже скромный пинок со скоростью 0,75 км/с способен запустить каскад событий, выбрасывающих целые миры в межзвёздную пустоту.

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.

Тёмная материя остаётся одной из величайших загадок современной физики. Ещё Вера Рубин, наблюдая вращение галактик, доказала, что видимого вещества недостаточно, чтобы удержать звёзды от разлёта.

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.

История началась с нехватки массы. В 1930-х Фриц Цвикки, измеряя скорости в скоплениях галактик, первым заподозрил присутствие невидимого вещества. Позже Вера Рубин показала, что окраины спиральных галактик вращаются слишком быстро для видимой материи.

Линзовидные галактики — космические «тихони»: диск есть, а ярких спиральных рукавов нет. Долгое время их происхождение оставалось загадкой. Команда учёных запустила компьютерную симуляцию Hydrangea и проследила судьбу каждой галактики от молодости до наших дней. На графике «масса-размер» эти галактики выстроились в букву V.

Ранняя Вселенная была неспокойным местом. Пространство дрожало от гравитационных волн — ряби самой ткани мироздания. В этом бурлящем котле, как предполагают, и родилась тёмная материя. Но у новорождённых частиц не было массы — её нужно было откуда-то взять. Обычно за массу отвечает поле Хиггса.

Звёзды зарождаются в холодных молекулярных облаках, состоящих из космической пыли и водорода. Внутри этих плотных коконов скрыты протозвёзды — ядра будущих светил, которые долгое время считались просто горячими сгустками вещества.

Галактика NGC 1277 похожа на старую книгу, которую никто не открывал миллиарды лет. Она сформировалась быстро, на заре Вселенной, и с тех пор почти не менялась — не сталкивалась с соседями, не наращивала новые слои.

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.

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).

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.

Бросьте в пруд камень — пойдут круги. Нечто похожее происходит внутри компактных сгустков тёмной материи, когда они попадают в особую среду — скалярное поле. Это поле, пронизывающее всё вокруг, способно самопроизвольно усиливаться в недрах таких объектов, словно круги на воде становятся всё выше и заметнее.

Вода низвергается в пропасть, но часть её взлетает обратно — бурлит и пенится у самого края. Примерно так ведёт себя газ, стекающий на сверхмассивную чёрную дыру, когда его поток становится слишком плотным. В новом исследовании учёные проследили эту картину с помощью компьютерной симуляции.

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.

Художник пишет портрет мазок за мазком, а потом ему предлагают фотоаппарат со вспышкой — один щелчок, и готово. Примерно так выглядит переход от многошаговых моделей к одношаговым в создании изображений галактик. Обычные нейросети для синтеза картинок работают как художник-акварелист: наносят слой, размывают, добавляют детали.

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.

В раскалённой солнечной короне, где температура скачет за миллион градусов, плавают холодные плотные облака — солнечные протуберанцы. Они висят неделями, не падая и не растворяясь, словно айсберги в кипящем океане. Как они там оказались — вопрос, который мучил астрономов десятилетиями.

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.

Шаровые скопления — это плотные «клубки» из сотен тысяч звёзд, которые обращаются вокруг центра Млечного Пути. Одни родились в нашей Галактике, другие были захвачены, когда Млечный Путь поглощал карликовые галактики-спутники. Различить их можно по химическому составу, но у астрономов появился новый инструмент — динамический возраст.

В отличие от далёких галактик, застывших для нас в древних световых образах, Млечный Путь — наш собственный звёздный дом — доступен для наблюдения в реальном времени. Сопоставив данные, накопленные за три десятилетия, исследователи зафиксировали удивительную динамику: центр Галактики словно набирает обороты.

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.

Тесто поднимается быстрее, если в нём уже есть дрожжи. Похоже, галактики могли собираться быстрее, если в них заранее были чёрные дыры. Астрофизики рассмотрели случай, когда во Вселенной с самого начала существовали первичные чёрные дыры — объекты, которые могли образоваться в первые мгновения после Большого взрыва.

Первые звёзды зажглись из облаков, в которых не было ничего, кроме водорода и гелия. Тяжёлые элементы — углерод, кислород, железо — появились позже, внутри звёзд. Но среди тех первенцев могли быть и лёгкие звёзды, массой чуть меньше Солнца. Такие живут очень долго, миллиарды лет, и могли дожить до наших дней.

Вселенная началась с Большого взрыва и последующей инфляции — резкого расширения. Алан Гут предположил, что в некоторых областях этот рост так и не остановился. Они навсегда остались «недопечёнными» карманами вечного расширения.

Вселенная, согласно этой гипотезе, ведёт себя подобно сжатой пружине: она коллапсирует до микроскопических масштабов, а затем вновь расширяется в фазе отскока.