кривая вращения галактики

Ночное небо кажется спокойным, но на самом деле оно пронизано невидимым дождём из заряженных частиц — космических лучей. Учёные давно пытаются понять, где рождаются самые энергичные из них. До недавнего времени считалось, что наша Галактика поставляет частицы вплоть до энергии около 4 ЭэВ — так называемой «лодыжки» на спектре.

Брошенный камень летит по дуге, а планета вокруг Солнца — по замкнутой кривой. Почему именно эллипс, а не круг или спираль? Ответ даёт первый закон Кеплера, но обычно его доказательство требует сложных вычислений. Эта работа предлагает путь короче — через одно простое отношение скоростей.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Нейтронная звезда сжимает массу Солнца в шар диаметром с город, и вещество в её ядре плотнее атомного ядра. Как оно устроено, физики не могут проверить в лаборатории: нужное давление не создать. Уравнение состояния — связь давления и плотности энергии — остаётся главной загадкой.

Представьте карусель: чем дальше от центра сидите, тем быстрее вас везёт. Долгое время считалось, что галактики устроены иначе — звёзды на окраинах должны вращаться медленнее, чем вблизи ядра. Однако ещё в 1970-х астрономы, измеряя доплеровское смещение спектральных линий, обнаружили: у многих спиральных галактик скорость звёзд почти не падает с удалением от центра.

Брошенный камень летит по дуге и падает. Планета у звезды — тот же камень, только падает она бесконечно, огибая светило по замкнутой кривой. В ньютоновском мире эта кривая — идеальный эллипс, и планета возвращается в одну и ту же точку каждый оборот. В реальности орбита чуть-чуть проворачивается — её ближайшая к звезде точка, перицентр, смещается. Это явление называют прецессией перицентра.

В самом центре Млечного Пути, вокруг невидимой сверхмассивной чёрной дыры, обращаются звёзды. Одна из них — S301 — совершает полный оборот всего за 8,7 лет. Её орбита представляет собой сильно вытянутый эллипс: в перицентре звезда почти вплотную приближается к чёрной дыре, а затем уносится прочь.

Синоптик проводит жирную чёрную линию через всю Европу: к северу мороз, к югу оттепель. Эта граница — нулевая изотерма — не сообщит, какая температура в Стокгольме или Риме, но предельно честно скажет, где заканчивается зима. В космологии последних лет появилась карта, на которой можно провести аналогичный рубеж.

В 26 000 световых лет от Земли, в сердце Млечного Пути, звезда S301 мчится сквозь пространство на скорости 18 000 километров в секунду. Она огибает сверхмассивную чёрную дыру Sgr A* по вытянутой орбите. В точке наибольшего сближения звезду отделяют всего 280 гравитационных радиусов — примерно как от Солнца до Урана. Для сравнения, предыдущий рекордсмен S2 держался вдесятеро дальше.

Луч света, пролетающий мимо массивного тела, отклоняется — это эффект гравитационного линзирования, знакомый по снимкам далёких галактик. Астрофизики взяли за основу вращающуюся чёрную дыру (пространство-время Керра) и добавили крошечную поправку к тому, как распространяется сам свет.

Когда далёкая планета проходит перед своей звездой, она ненадолго заслоняет часть света. Астрономы называют это прохождением и по глубине провала судят о размере планеты. Но у света есть свойство: массивное тело работает как линза. Даже планета-гигант способна слегка искривить лучи звезды — и провал становится чуть менее глубоким, чем можно было бы ожидать.

Среди ледяных глыб, что носятся в пустоте, есть особые путешественники — межзвёздные кометы. Они родились у далёких звёзд и случайно залетели в наши края. Одна из них, 3I/ATLAS, попала под прицел телескопов, когда приближалась к Солнцу. Её вещество — замёрзшие газы и тугоплавкая пыль — начало испаряться, оставляя за собой светящийся хвост.

Квантовое рождение Вселенной напоминает игру в кости, где шанс выпадения шестёрки катастрофически мал. Формализм Хокинга и Хартла — элегантный рецепт рождения мира из безвременья — десятилетиями предсказывал: вселенная, подобная нашей, — событие фантастически невероятное.

Гало нашей Галактики — это огромное разреженное облако из старых звёзд, окутывающее знакомый нам диск. Оно хранит историю о том, как Млечный Путь рос, поглощая соседние карликовые галактики.

Раньше астрономы рассчитывали массу галактик, упрощая их форму до идеальных сфер. Но галактика — это не шар, а плоский диск, похожий на гигантский блин. Новая модель «Потерянное и найденное» учитывает эту реальную геометрию: она суммирует гравитационное притяжение от всех частей диска, а не только от центральной выпуклости (балджа).

Словно река, которая вдруг исчезает под землёй, рукав Персея в Млечном Пути обрывается в области, которую астрономы называют Заливом Жирафа. Там, где яркая полоса звёзд должна продолжаться, видна тёмная «пустота».

Вокруг каждой галактики есть невидимая оболочка из горячего газа — как пар над кастрюлей с кипящей водой. Этот газ почти не светится в рентгеновских лучах, поэтому его очень трудно измерить. Но именно в нём хранится память о взрывах звёзд и о том, как галактика росла. Новый метод использует свет от яркого центра галактики.

Радиоволны, проходя сквозь намагниченный газ, слегка поворачивают свою поляризацию — как стрелка компаса отклоняется возле магнита. Этот поворот, называемый эффектом Фарадея, рассказал о невидимой среде вокруг сверхмассивной чёрной дыры в галактике NGC 1275. Астрономы собрали данные за девять лет с трёх разных сетей радиотелескопов.

Далекая галактика, похожая на наш Млечный Путь, выдувает газ в космос, как фен сдувает пыль со стола. Семь лучей света от еще более далекого объекта пронзили это газовое облако, и астрономы увидели, что поток газа узкий, как струя из шланга, а не широкий, как веер. Скорость газа достигает 239 километров в секунду — это в 200 раз быстрее пассажирского самолета.

Гравитационные волны — это рябь пространства, которую рождают, например, пары сверхмассивных чёрных дыр, кружащих друг вокруг друга. Чтобы их уловить, учёные следят за пульсарами — мёртвыми звёздами, которые шлют радиоимпульсы с точностью часов.

Космический телескоп Gaia измерил, насколько быстро крутятся более ста тысяч звёзд. Оказалось, что скорость вращения зависит от температуры звезды. У звёзд холоднее 6500 градусов поверхность движется со скоростью 10–20 километров в секунду. Но стоит звезде стать горячее, как скорость резко подскакивает до 100 километров в секунду.

Вселенная на больших масштабах похожа на гигантскую паутину: яркие скопления галактик соединены длинными нитями из галактик, газа и тёмной материи. Раньше считалось, что по этим нитям вещество, как по трубам, течёт к скоплениям. Но новое исследование показывает: нить между двумя скоплениями не просто канал, а арена перетягивания каната.

Три далёкие планеты-гиганта кружат возле своих звёзд так близко, что год на них длится всего несколько земных дней. Такие миры называют горячими юпитерами, и их орбиты — настоящая загадка: как они оказались вплотную к звезде, если родились далеко, в холодных окраинах системы? Один из ключей к разгадке — угол, под которым планета летит вокруг звезды относительно её вращения.

Галактики во Вселенной не разбросаны как попало: соседние движутся в одну сторону, как стайка рыб, а далёкие — каждая сама по себе. Где проходит граница между «вместе» и «врозь», до сих пор было неясно. Астрономы придумали новую меру — масштаб, на котором среднее движение галактик вдоль линии, соединяющей пару, перестаёт быть согласованным и начинает противоречить друг другу.

Три далёкие галактики кружатся, как гигантские карусели. Их звёзды и газ движутся по спиральным рукавам, и по скорости этого движения можно вычислить, сколько всего вещества в галактике — видимого и невидимого. Астрономы совместили два взгляда: радиотелескопы показали холодный газ, а космический телескоп Джеймса Уэбба — звёзды.

Вселенная расширяется, и каждое скопление галактик участвует в грандиозном космическом танце. Темп этого танца задаёт постоянная Хаббла — ключевая величина, описывающая скорость расширения.

В 2019 году телескоп Event Horizon подарил человечеству первое изображение тени чёрной дыры. С тех пор астрофизики мечтают о большем: увидеть, как вещество движется в самой воронке пространства-времени. Одна из загадок — хаос. Теория предсказывает, что орбиты частиц у чёрной дыры могут быть регулярными, как сердцебиение, или хаотическими, как шум.

Галактика NGC 1560 — скромный остров из звёзд и газа в десяти миллионах световых лет от нас. Её кривая вращения, впервые измеренная в 1991 году, стала иконой для тех, кто ищет альтернативу тёмной материи. На графике скорости вращения от радиуса видны изгибы, которые, казалось бы, в точности повторяют изгибы в распределении обычного вещества.

Солнечная система совершает полный оборот вокруг центра Млечного Пути за 210 миллионов лет. В последний раз мы были на этой же стороне Галактики, когда по Земле бродили ранние динозавры. Эту цифру — 243.72 км/с — удалось уточнить благодаря редким звёздам, которые проносятся сквозь Галактику как пушечные ядра.