крупномасштабная структура

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.

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.

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.

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.

Представьте танцпол, на котором кружатся пары. В центре — невидимый распорядитель, задающий ритм. Это сверхмассивная черная дыра в сердце Млечного Пути, а пары — звезды, чьи орбиты астрономы отслеживают годами. Но что, если сам распорядитель укутан в пушистую шубу из разреженного вещества? Именно такую возможность проверяли авторы новой работы.

Ночное небо кажется случайной россыпью звёзд. Но если разглядеть его на огромных расстояниях, хаос исчезает. Галактики собираются в длинные нити и плоские стены, а между ними зияют исполинские пустоты — космические войды. Эту конструкцию называют космической паутиной. Чтобы описать такую сложную систему, недостаточно просто посмотреть на картинку.

Переводчик, отвлекающийся на каждый шорох в зале, рискует превратить час совещания в два. Одна неверная интонация меняет смысл до неузнаваемости. Примерно так же ведёт себя гравитино — гипотетическая частица со спином 3/2 (квантовое число, описывающее внутреннее вращение частицы).

Представьте кастрюлю с кипящей кашей: пузыри лопаются, пар вырывается наружу, перемешивая всё содержимое. Примерно так же ведут себя массивные звёзды в гигантских облаках газа. Их излучение и звёздный ветер — потоки заряженных частиц — выдувают огромные полости, называемые молекулярными пузырями, разбрасывая вещество по округе.

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.

Первые мгновения после Большого взрыва: пространство стремительно раздувается — физики называют этот период инфляцией. Внутри этой разбухающей ткани, словно мыльные пузыри в струе воздуха, начинают зарождаться области нового вакуума — происходит фазовый переход первого рода. Большинство пузырей лопаются или сливаются, едва появившись.

В ранней Вселенной, когда она остывала после Большого взрыва, могли возникнуть дефекты — похожие на трещины во льду. Один из таких дефектов — глобальный монополь, крохотный сгусток поля, где энергия заперта в узел. Когда монополь и его антипод встречаются, они аннигилируют, как капля и пузырёк, и излучают волны — безмассовые частицы, родственные тёмной материи (их называют NG-бозонами).

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?

В первые мгновения после Большого взрыва космическое нарушение симметрии разделило горячую плазму на области с разными вакуумами — наинизшими энергетическими состояниями поля.

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.

Оптический фон неба — это космический палимпсест, где свет миллиардов неразрешённых галактик накладывается слоями, соответствующими разным эпохам. До сих пор мы различали только самые яркие «буквы» — отдельные звёзды и близкие галактики.

Всё начинается с крошечного рубца — тонкого туннеля, который соединяет две вселенные. В квантовой космологии давно обсуждают, что наша замкнутая вселенная могла родиться из «ничего» путём туннелирования (это когда система преодолевает барьер, непреодолимый по обычным меркам).

Космологический спор напоминает ситуацию, когда два мастера меряют одну и ту же стену, но получают разную длину. Один использует рулетку, прикладывая её к ближайшим ориентирам — цефеидам (пульсирующим звёздам-маякам) и сверхновым типа Ia (вспышкам умирающих звёзд). У него выходит, что стена растягивается со скоростью 73.5 условных единиц.

Около некоторых молодых звёзд, где недавно завершилось звездообразование, кружатся не просто пылевые кольца, а настоящие поля планетных битв — экстремальные обломочные диски.

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.

В глубоком космосе, в 95 парсеках от Земли, природа собирает планетные часы. Модель HD 114082 — прототип, которому от роду всего 15 миллионов лет. Два массивных маятника — экзопланеты b и c — уже качаются с периодами 225 и 314 дней, но весь механизм ещё покрыт строительной пылью осколочного диска.

Космологический принцип — утверждение, что Вселенная в больших масштабах однородна и изотропна, — стоит на страже нашего понимания мира со времён Эдвина Хаббла и Жоржа Леметра, чьи идеи легли в основу модели Большого взрыва.

Свет от далёких галактик идёт к нам миллиарды лет, но на пути его ломает и выгибает невидимая паутина тёмной материи. Этот эффект, предсказанный Эйнштейном в рамках общей теории относительности, называют гравитационным линзированием.

Вообразите: филармонический оркестр играет, но микрофон ловит лишь слитный гул — tutti, в котором смешались контрабасы, флейты и литавры. Похожую задачу десятилетиями решают физики, вглядываясь в поля плотности, температуры или магнитной индукции.

Субнептун — это планета, которая по размеру находится между Землёй и Нептуном. Таких миров очень много в нашей Галактике, но их устройство до сих пор вызывает споры. Новое исследование показывает, что в молодости эти планеты ведут себя как губка, пропитанная водой. Роль воды играет водород — самый лёгкий газ во Вселенной.

Космологическая карта похожа на снимок ряби на воде: по ней восстанавливают, какой камень был брошен. Камнем выступают свойства Вселенной — сколько в ней обычного вещества, сколько тёмной материи, как быстро она расширяется. Рябь — это узор из галактик, который измеряют телескопы.

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.

Магнитные вихри размером в десятки нанометров — как крошечные смерчи, застывшие в металле. Их называют скирмионами, и они ведут себя на удивление устойчиво: их трудно разрушить, зато легко двигать. Именно поэтому инженеры видят в них идеальные «ячейки» для памяти будущего — быстрой, экономичной и не боящейся сбоев. Но до сих пор никто не знал, как именно устроен такой вихрь в толще материала.

Скопления галактик — величайшие гравитационные ансамбли Вселенной. В рентгеновском свечении, порождённом горячей плазмой, зашита история расширения космоса, скрытой тёмной материи и загадочной тёмной энергии.

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.

Раннюю Вселенную часто представляют детским садом: большинство галактик здесь — аморфные кляксы, буйные и иррегулярные, захлёбывающиеся газом и вспышками звездорождения. Но телескоп Джеймс Уэбб разглядел в этом хаосе вундеркинда — галактику M1149-BSG-z5, которая всего через 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва уже щеголяет точеной спиралью с баром, присущей лишь зрелым системам.

В первые мгновения после рождения Вселенная могла быть многомерной — словно лист бумаги, который вдруг обрёл толщину. Эта «толщина» — дополнительные измерения — начала стремительно раздуваться. Такой сверхбыстрый рост называют инфляцией.

Вселенную можно представить как мыльный пузырь, раздувающийся в многомерной пене. Модель тёмного пузыря объясняет ускоряющееся расширение космоса: пузырь пространства-времени растёт, и его плёнка приобретает крошечную толщину — порядка микрона, сравнимую с размером бактерии. На таких масштабах гравитация «расплывается» в этой толщине и ослабевает.

Наша Вселенная расширяется, и её будущее, по мнению космологов, — это пустое, холодное пространство де Ситтера. Понять его квантовую природу — всё равно что пытаться прочесть книгу, глядя только на обложку. Голографический принцип подсказывает: вся информация о том, что происходит внутри объёма, может быть записана на его границе, как рисунок на плёнке.

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.

Вы рассказываете другу историю, а его мозг словно настраивается на вашу волну — одни и те же участки активируются в такт вашим словам. Учёные записали такую «нейронную синхронизацию» с помощью магнитоэнцефалографии (прибора, улавливающего магнитные поля мозга) и решили проверить, может ли компьютерная языковая модель повторить этот танец смыслов.

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.

Вселенную можно представить как густой лес: вблизи мы различаем отдельные деревья-галактики, собранные в группы и скопления — своего рода рощи, но издалека всё сливается в сплошную зелень. Грань, за которой космос становится однородным, называют угловым масштабом однородности — это минимальный угловой размер участка неба, начиная с которого галактики распределены равномерно, без заметных сгущений.

В 1930-х Фриц Цвикки первым заметил, что галактики в скоплениях движутся слишком быстро — их удерживало нечто невидимое. Позже Вера Рубин измерила вращение спиральных галактик, подтвердив: космос пронизан тёмной материей. Сегодня мы знаем, что она рисует космическую паутину, но природа её частиц — тайна.

Сквозь рябь на воде камешки на дне бассейна кажутся сдвинутыми и искажёнными. Похожим образом гравитация невидимой тёмной материи искривляет свет далёких галактик — это явление называют слабым линзированием. Но рябь в бассейне живёт только на поверхности, а тёмная материя распределена в объёме, на разной глубине.

Пространство-время часто представляют как гладкую ткань. Но на самом микроскопическом уровне эта ткань может оказаться не сплошной, а состоящей из отдельных «атомов» — событий, связанных причинностью. Такая картина мира называется теорией причинных множеств.