распределение массы

Миллион орбит — одна и та же партитура. Девять гало тёмной материи — девять оркестров без дирижёра. Все музыканты играют по одним нотам, но в каждом зале музыка звучит иначе: где-то стройно, где-то с рассинхронизацией. Так и спутниковые галактики, падая в гало хозяина, движутся по орбитам, которые зависят не только от массы, но и от формы невидимой сцены.

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.

Галактика напоминает город: в центре — яркие огни и плотная застройка, а к окраинам — редкие огни и пустота. Однако если проследить за вращением газа в галактическом диске, обнаружится, что на окраинах скорость почти не падает. Будто невидимые кварталы продолжают поддерживать движение. Астрономы нашли способ нанести этот невидимый город на карту.

Ранняя Вселенная — не просто горячий бульон из частиц. В первые доли секунды в ней могла нарушиться зеркальная симметрия (чётность): мир и его отражение стали бы не совсем одинаковыми.

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.

Два мячика, брошенных с разной высоты, падают на землю с разным ускорением. В космосе всё устроено сложнее: там даже пустота заставляет тела двигаться по-разному.

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 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 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.

Фотографирование окрестностей чёрной дыры напоминает съёмку фонтана: короткая выдержка замораживает капли, длинная сливает всё в мутные полосы. Свет раскалённого газа, кружащего возле дыры, идёт до нас разными путями.

Прохождение света вблизи массивного тела, например чёрной дыры, сопровождается искривлением его пути — эффект, предсказанный Эйнштейном в рамках общей теории относительности.

Камешек падает в пруд — и по воде разбегаются ровные круги. Но дно пруда усеяно стёклышками-невидимками: каждое чуть задерживает волну, где-то рассеивает, где-то меняет её шаг. Примерно так гравитационные волны — дрожь самого пространства — проходят сквозь далёкие галактики и тёмные сгустки материи. Эти сгустки работают как линзы, только не световые, а гравитационные.

Два скопления галактик столкнулись, как два роя пчёл, пролетевших друг сквозь друга. Одно из них — знаменитая «Пуля». После столкновения горячий газ, составляющий большую часть обычного вещества, затормозил и остался в центре, а галактики, как маленькие плотные камешки, пролетели дальше. Свет далёких объектов, проходя мимо, искривляется: это видно по искажённым изображениям.

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).

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.

Галактика похожа на гигантскую карусель: звёзды и газ кружатся вокруг центра, и скорость их движения выдаёт, сколько всего вещества в этой карусели. Если бы мы видели только светящуюся материю, внешние части вращались бы медленнее, чем показывают наблюдения. Значит, есть невидимая масса — тёмная материя, которая держит галактику вместе.

В 65 миллионах световых лет от Земли, в созвездии Кита, приютились три карликовые галактики: DF2, DF4 и DF9. Все они объявлены «галактиками без тёмной материи» — таинственной невидимой субстанции, которая обычно удерживает звёзды вместе.

Снимки далёких галактик пестрят изогнутыми дугами и пятнами — это свет, искорёженный по пути к нам. Эффект, предсказанный Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности, работает как гигантское кривое зеркало: массивное скопление галактик своей гравитацией искажает изображения фоновых источников — явление, называемое…

Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера с котом демонстрирует парадокс квантовой суперпозиции: по законам микромира кот может быть одновременно жив и мёртв. Но попробуйте проделать то же самое со столом — и квантовая неопределённость исчезнет. Почему?

В центре нашей Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, вокруг которой кружат звёзды. Их движение похоже на хоровод: одни носятся по вытянутым орбитам, другие — по почти круглым. Если рядом с чёрной дырой есть невидимое тёмное вещество, оно слегка искажает эти орбиты, как невидимая рука подталкивает звезду в сторону.

Телескоп «Джеймс Уэбб» всмотрелся в скопление галактик AS1063 и разглядел десятки тысяч шаровых скоплений — плотных звёздных «клубков», разбросанных по всему скоплению. Их расположение совпало с картой невидимой массы, которую строят по искривлению света далёких галактик.

Ночное небо полно звёзд, но они — лишь малая часть всего, что есть во Вселенной. Астрономы давно заметили странность: галактики вращаются так быстро, что должны разлететься, но не разлетаются. Что-то невидимое держит их вместе, как невидимые нити, связывающие бусины на вращающемся колесе. Это «что-то» назвали тёмной материей.

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.

Сверхмассивные тела искривляют пространство-время, превращаясь в гравитационную линзу, которая преломляет свет далёких объектов. Этот эффект, известный как искривление пространства-времени, позволяет астрономам разглядеть невидимое — объекты, которые сами не излучают, но выдают себя, искажая лучи фоновых галактик.

Звёздный диск Млечного Пути — как яркая вертушка, а тёмное вещество — невидимая субстанция, проявляющая себя лишь гравитацией — образует невидимое облако вокруг. Впервые его форму точно измерили. Астрономы отследили движение миллионов звёзд и построили трёхмерную карту тёмного гало — протяжённой оболочки из тёмного вещества до расстояния 160 тысяч световых лет.