неустойчивость Джинса

В центре галактики, где сверхмассивная чёрная дыра закручивает вокруг себя диск раскалённого газа, иногда рождаются звёзды-гиганты. Они не похожи на обычные: диск непрерывно подкармливает их веществом, и звезда может вырасти до сотен масс Солнца, оставаясь яркой, пока поток газа не иссякнет. Такая звезда — как губка, впитывающая воду: она живёт, пока её наполняют.

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.

У любого пульсирующего объекта есть момент, когда ритм сбивается. Для бозонных звёзд — гипотетических сгустков сверхлёгких частиц — таким моментом оказывается точка, где масса перестаёт расти. Авторы работы рассчитали низшую радиальную моду (основной тон «дыхания») для целого семейства таких звёзд, включая модели с само-взаимодействием — свойством частиц влиять друг на друга.

Свет от квазара J0744+2052 летел к нам почти 12 миллиардов лет. На пути он натыкался на облака водорода, которые вытягивали из спектра отдельные линии — как гребёнка прореживает тонкие частоты. Астрономы называют эту картину лесом Лайман-альфа. Но в этой кажущейся хаотичности неожиданно проявился порядок.

Коллапс ядра звезды похож на сжатие пружины: вещество падает внутрь, а в центре рождается нейтронная звезда. Но падение не бывает идеально ровным. В кипящих внешних слоях случайные завихрения передают вращение падающему газу — и вокруг центрального объекта закручивается диск. Этот диск — не спокойная река. Он пульсирует: то усиливается, то затухает.

Костёр горит ровно и долго. Но стоит подуть ветру — и пламя срывается, оставляя лишь угли. Похожая история разыгралась с гравастаром — гипотетическим объектом, который должен был заменить чёрную дыру. Обычная чёрная дыра прячет в себе сингулярность — точку, где законы физики ломаются.

В поисках природы тёмной материи одна из самых интригующих гипотез уходит корнями в первые мгновения после Большого взрыва. Тогда из квантовых флуктуаций инфляционного поля рождались сгустки вещества, способные сколлапсировать в первичные чёрные дыры.

Чёрная дыра подобна вращающейся капле вязкой жидкости. Обычно такая капля стремится остаться целой: разделение уменьшило бы её поверхность, что противоречит закону неубывания энтропии — меры беспорядка, подобно тому, как разбитая чашка не склеивается сама собой.

Детекторы LIGO и Virgo ловят рябь пространства-времени, но некоторые сигналы заставляют переписывать сценарии звёздной смерти. GW190814 — слияние чёрной дыры в 23 массы Солнца с компактным объектом в 2,6 солнечных — дисгармоничный аккорд в симфонии стандартных моделей.

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.

Тёмная материя — невидимый каркас вселенной. Она не светится, но её притяжение удерживает звёзды в галактиках. В некоторых моделях частицы этой материи могут сталкиваться и обмениваться энергией, как молекулы в нагретом воздухе.

Фигурист на льду прижимает руки к телу — и его вращение резко ускоряется. Когда массивная звезда исчерпывает топливо и её ядро схлопывается, происходит нечто похожее, только в космических масштабах. Ядро сжимается в шар размером с город, и если оно быстро вращается, внутри может возникнуть особая нестабильность.

Далёкая галактика всегда кажется краснее, чем она есть на самом деле. Так работает космическая пыль — мельчайшие твёрдые частицы, которые рассеивают синие лучи сильнее красных, словно дымка на закате. Астрономы измерили этот эффект для десятков тысяч галактик с помощью двух мощных инструментов.

Капля мёда растекается по столу медленно, вода — быстро. Сопротивление течению — вязкость — у разных жидкостей своя. Но что, если вязкость меняется прямо на лету, по мере того как вещество сжимается или расширяется?

Ещё в 1960-х физик Джозеф Вебер пытался поймать гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанную общей теорией относительности, — с помощью алюминиевых цилиндров. Идея была проста: волна должна заставить цилиндр дрожать, словно камертон, на собственной резонансной частоте.

Когда горячий суп остывает, на поверхности появляются сгустки — так и ранняя Вселенная, остывая, рождала нитевидные сгустки энергии, космические струны. Некоторые из них похожи на натянутую резинку: пока цела — стабильна. Но если резинку надрезать, она рвётся.

В переполненном зале, где кружатся пары, порой пробегает волна: одни пары распадаются, другие возникают, и движение подхватывает всех. Похожим образом ведёт себя густое облако нейтрино — мельчайших частиц, которые почти не замечают вещества.

После Большого взрыва тёмная материя — загадочный компонент, проявляющий себя только через гравитацию — и обычное вещество, состоявшее в основном из водорода, приобрели разные скорости.

Воздушный шарик в ладони спружинит одинаково во все стороны. А вот бутылка с газировкой ведёт себя иначе: вдоль горлышка она жёсткая, а поперёк легко сминается. Примерно так устроено давление внутри некоторых звёзд — оно может быть неодинаковым по разным направлениям. Такие звёзды называют анизотропными, и их поведение до сих пор описывали разрозненными методами.

Звезда весом в сто тысяч солнц живёт ярко и недолго. Финал её — стремительное сжатие в чёрную дыру. Но перед самым концом она успевает окутаться плотным газовым коконом. Именно такие коконы телескоп Джеймса Уэбба различает вокруг загадочных объектов — «маленьких красных точек».

Река течёт к водовороту, но на пути стоит дамба с прорезью. Большая часть воды скапливается перед дамбой, но часть, набрав высоту, перелетает через неё и падает прямо в воронку. Так и газ в галактике: он стекает к центру, но упирается в кольцо из звёзд и газа — оно как дамба. Обычно там всё и останавливается, закручиваясь в плотный вихрь.

В далёкой Вселенной, когда ей было всего пара миллиардов лет, многие галактики напоминали кипящие котлы: газ в них сгущался так быстро, что звёзды вспыхивали одна за другой, а пыль разогревалась и ярко светилась в субмиллиметровом диапазоне.

Поток электронов влетает в плазму, как струя воды бьёт в спокойный пруд. Струя возмущает поверхность, рождая волны, которые быстро растут и перемешивают воду. В плазме такой процесс называется неустойчивостью Бунемана: электронный пучок раскачивает колебания, которые затем рассеивают его энергию.

Поток раскалённого газа мчится от звезды — и вдруг глохнет, словно налетев на невидимую стену. Именно это увидели исследователи, когда попробовали воспроизвести звёздный выброс в лабораторном масштабе. Они взяли лазер, создали струю плазмы и пустили её через магнитное поле — сначала слабое, а потом сильное, как у многих звёзд.

В холодных облаках межзвёздного газа прячутся длинные тонкие волокна — как нити в клубке. Именно в них, сжимаясь, рождаются новые звёзды. Астрономы взяли семь таких облаков на расстоянии от 140 до 920 световых лет и измерили, сколько в них волокон разной толщины. Оказалось, что во всех облаках, независимо от их активности, действует один и тот же закон: чем толще волокно, тем оно реже встречается.

В диске из газа и пыли вокруг молодой звезды частицы пыли ведут себя как песчинки в потоке воды: газ течёт быстрее, пыль отстаёт, и между ними возникает трение. Это трение способно раскачивать магнитные волны, которые бегут по диску. Галактика полна таких дисков — именно в них рождаются планеты.

Две звезды кружатся вокруг общего центра, поглощая газ из окружающего облака. Вокруг каждой звезды и вокруг всей пары образуются вращающиеся диски газа. Из этих дисков, как из шлангов, вырываются струи. Внутри дисков газ постоянно перемешивается — так работает магнитная неустойчивость.

В холодных облаках межзвёздного газа тянутся длинные плотные нити. В них, как в переполненных инкубаторах, зреют будущие звёзды. Долгое время считалось, что внутри таких нитей всё подчинено гравитации: вещество плавно стекается к центрам, где плотность растёт и в конце концов вспыхивает звезда. Но новые наблюдения показывают иную картину.

В холодном газовом облаке, где рождается звезда, химия спит. Молекулы почти не сталкиваются, реакции замирают. Но если через облако пролетает заряженная частица, она выбивает электроны из атомов — ионизирует их. Так в спящем облаке появляются активные ионы, готовые строить новые молекулы.

В тёмном облаке, где ещё не зажглась ни одна звезда, газ начинает стягиваться к общему центру. Так рождаются самые массивные звёзды Галактики — те, что тяжелее Солнца в десятки раз. Астрономы навели радиотелескопы на облако SDC335.579-0.292 и увидели, как молекулы газа выстраиваются в потоки, падающие внутрь. Скорость падения оказалась небольшой — всего 0,6–1,6 километра в секунду.

Кусок теста, если тянуть его в стороны, не растягивается равномерно: в одном месте он истончается и рвётся. Живая ткань ведёт себя похоже, но вместо разрыва в ней появляются полосы сдвига — узкие зоны, где клетки начинают скользить друг по другу, как карты в колоде при снятии.

В центре огромного города галактик висит густое облако газа. Оно остыло до такой степени, что по всем правилам должно схлопываться в новые звёзды — как пар на холодном стекле превращается в капли. Но стекло остаётся сухим. Астрономы навели на это облако рентгеновский телескоп Chandra и смотрели на него почти трое суток подряд.

В токамаке плазма — как толпа на узкой улице: стоит кому-то побежать, и все срываются разом. В стеллараторе с некруглым сечением улица извилистая, с тупиками и карманами. Толпа не может собраться в одну волну — люди застревают по разным углам. Так и плазменные волны: в трёхмерной геометрии они локализуются, как звук в лабиринте.

Скопление галактик похоже на оживлённый перекрёсток, где машины-галактики мчатся сквозь встречный ветер из горячего газа. Этот ветер, называемый давлением набегающего потока, срывает с галактик запасы холодного газа — топливо для рождения звёзд. Астрономы из обзора SAMI проследили, как это происходит, у сотен галактик в восьми близких скоплениях.

В центре почти каждой крупной галактики прячется чёрная дыра. Когда она поглощает газ, то выбрасывает обратно мощные потоки — как дракон, который не может проглотить всю добычу и выдыхает пламя. Эти «ветры» разгоняются до тысяч километров в секунду и могут разметать запасы газа, из которого рождаются звёзды.

В тёмном облаке G318.049+00.086, где ещё нет ни одной звезды, пыль и газ выстроились в четыре длинные нити. Они сходятся в плотный центральный узел — как четыре реки, впадающие в озеро. По этим нитям к центру течёт газ: скорость потока достигает 10–20 километров в секунду на каждый парсек длины. Это значит, что в узел каждый миллион лет прибывает больше тысячи солнечных масс вещества.

Молодая звезда окружена плоским вращающимся диском из газа и пыли — это строительная площадка будущих планет. Диск живёт своей жизнью: газ течёт к звезде, пыль слипается в комки, а снаружи на всё это давит жёсткий ультрафиолет от соседних горячих звёзд, как ветер сдувает листья с дорожки.

Представьте переполненную комнату: каждый новый входящий усиливает давление на стены. Похожий принцип работает в нейтронной звезде — сверхплотном остатке массивной звезды, где вещество сжато до ядерных плотностей. Рост плотности вызывает рост внутреннего противодействия — давления, которое физики характеризуют отношением давления к плотности энергии (величина φ).

Капля воды падает на лист лотоса — и отскакивает, не оставив следа. Это чудо самоочистки природа отточила за миллионы лет, и инженеры давно пытаются его воспроизвести. Но стоит капле ударить слишком быстро, как она разлетается брызгами, теряя массу и оставляя на поверхности мокрые следы.