нустар

За орбитой Нептуна лежит океан из ледяных островов, который почти не изменился за четыре миллиарда лет. Эти острова, называемые транснептуновыми объектами, хранят рецепт рождения планет. До недавнего времени астрономы видели лишь крупные из них, а мелкие, размером с город, оставались невидимыми.

Пульсар PSR J0614-3329 делает 318 оборотов в секунду. Точка на его экваторе летит со скоростью около 10% скорости света. Со стороны звезда выглядит как маяк, который вращается так быстро, что его луч сливается в сплошное кольцо. Но телескоп NICER на Международной космической станции ловит отдельные вспышки рентгеновского света и по их рисунку восстанавливает форму невидимого тела.

Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток после взрыва массивной звезды. Вещество в ней сжато до такой степени, что чайная ложка его вещества весила бы миллиарды тонн. В этих экстремальных условиях привычные протоны и нейтроны могут перестраиваться, порождая новые частицы — гипероны.

Гамма-лучи — это самый энергичный свет во Вселенной, электромагнитное излучение с экстремально короткими длинами волн. Но одна их часть, средняя по силе, долго оставалась невидимой: приборы не могли её поймать, и в небе зиял пробел. Учёные называют его «пробелом МэВ» — по единице энергии, мегаэлектронвольту, которую эти лучи несут.

Маяк вспыхивает не равномерно, а короткими яркими импульсами. Нейтронная звезда в системе 4U 1323-62 — такой маяк в рентгеновском диапазоне. Она стягивает газ с соседней звезды, и когда на её поверхности скапливается достаточно вещества, происходит термоядерный взрыв — рентгеновская вспышка.

Каждое утро дворник сметает листья в одну кучу. Солнце, пролетая сквозь галактику, делает нечто похожее: его гравитация собирает рассеянный межзвёздный газ в невидимый конус — гигантскую гравитационную воронку, фокусирующую вещество.

В тёмной кухне молекулярного облака Тельца, в 450 световых годах от нас, готовятся десятки планетных систем. Каждая молодая звезда — это повар, а её протопланетный диск — стол, заваленный мукой-пылью и паром-газом. До сих пор астрономы видели только готовые «блюда» — уже сформированные планеты.

Вселенная постоянно шлёт нам сигналы, но многие из них слишком слабы, чтобы их заметить. Реликтовые нейтрино — частицы, оставшиеся от Большого взрыва, — проходят сквозь Землю миллиардами каждую секунду, но поймать хотя бы одно — задача на грани возможного. Нужен детектор, который почувствует энергию в тысячу раз меньше, чем нужно, чтобы сдвинуть пылинку.

Тихая гладь озера вдруг покрывается рябью — где-то на глубине обрушилась подводная скала. Вода едва заметно дрожит, и круги расходятся всё шире, пока не доберутся до поплавка у берега. Эта аналогия точно описывает финал массивной звезды: исчерпав ядерное горючее, она больше не может противостоять собственной гравитации.

Космический «штангенциркуль» скоро обмеряет нейтронную звезду с точностью до сотни метров. Для объекта диаметром в пару десятков километров это всё равно что измерить толщину человеческого волоса с расстояния в километр. Нейтронная звезда — остаток взорвавшейся сверхновой. Вещество в ней сжато так сильно, что чайная ложка весила бы миллиарды тонн.

Высоко в горах, где воздух прозрачен и тих, физики готовятся ловить неуловимых гостей из космоса — нейтрино, частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом. Эти лептоны, словно призраки, проходят сквозь Землю, почти не оставляя следов. Но иногда нейтрино всё же врезается в атом, рождая ливень частиц, который можно зарегистрировать.

В сердце каждой нейтронной звезды скрыта симфония — сложное переплетение квантовых полей и релятивистской гравитации. Почти век назад Фриц Цвикки описал эти объекты как «звёзды-атомы», а Джоселин Белл Бернелл подарила нам их голос — строгий ритм пульсаров.

Долгое время астрономы искали «фабрики» самых энергичных космических лучей — частиц, несущих в себе макромир, сжатый до размеров атомного ядра. Под подозрением были колоссальные области звездообразования вроде Лебедя OB2, где сталкиваются ветры молодых гигантов. Но природа, как фокусник, спрятала сердце ускорителя в ином месте — внутри тесной двойной системы.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро коллапсирует, порождая сверхновую и испуская всепроникающий ливень нейтрино.

Нейтронная звезда — это ядро, оставшееся после взрыва массивной звезды. Вещество в ней сжато так сильно, что чайная ложка весила бы миллиарды тонн. Но точные размеры и масса таких объектов до сих пор вызывают споры. Группа астрономов изучила систему EXO 0748-676, где нейтронная звезда перетягивает вещество с обычной звезды-соседки. Временами она вспыхивает, а затем затихает.

Массивная звезда не просто гаснет — она взрывается сверхновой, оставляя расширяющийся остаток и бешено вращающуюся нейтронную звезду — пульсар. В этой космической буре рождаются удивительные узоры, и система «Нимбус» — «Гром» стала их ослепительной иллюстрацией.

История началась с недоумения: в 1930-х Фриц Цвикки заметил, что скопления галактик ведут себя так, будто в них спрятана огромная невидимая масса. Через полвека Вера Рубин подтвердила — звёзды на окраинах галактик вращаются слишком быстро, чтобы их удерживала лишь видимая материя.

Тёмная материя — невидимая субстанция, проявляющая себя лишь через гравитационное воздействие: она искривляет свет далёких галактик, подобно незримому окну, меняющему ход лучей.

Где-то в галактическом балдже дремлет массивная звезда, готовая сменить спокойное горение на коллапс. Её ядро исчерпает топливо, и за доли секунды родится нейтронная звезда или чёрная дыра, выбросив 10⁵⁸ нейтрино — почти всю энергию взрыва.

Вслушиваться в космос — значит запастись терпением и отстроить слух. Астрономы выбрали для этого самый чуткий низкочастотный инструмент: антенную решётку OVRO–LWA — 352 дипольные антенны, раскиданные по калифорнийской пустыне на два с половиной километра.

Почти 12 миллиардов лет назад, когда Вселенная переживала бурный «космический полдень» — эпоху рекордного звездообразования, — в сердце одной из галактик разгорался квазар WISSH13.

Камень падает в пруд, и по воде расходятся круги. Так и свет от далёких галактик расходится во все стороны — спокойно и размеренно. Но в центре некоторых галактик прячется не камень, а настоящая пушка: она выстреливает частицами с чудовищной силой. Астрономы называют такие объекты HSP BL Lac.

Нейтронная звезда — это город величиной с Манхэттен, сжатый до такой плотности, что чайная ложка её вещества весит как гора Эверест. Чтобы понять, из чего она состоит внутри, учёные измеряют её радиус. Но есть загвоздка: многие измерения грешат систематическими ошибками — как если бы вы пытались определить рост человека, который постоянно вертится и наклоняется.

Крошечные невидимые пули прошивают Солнце насквозь, почти не замечая его вещества. Это аксионы — гипотетические частицы, настолько лёгкие и неуловимые, что их сравнивают с призраками.

Огромный резервуар с чистейшей водой спрятан глубоко под землёй в Японии. Его стены усеяны тысячами светочувствительных ламп, которые ловят слабые вспышки — следы частиц-призраков, пролетающих сквозь толщу воды. Этот детектор, Super-Kamiokande, долго всматривался в небо в поисках нейтринного эха древних звёздных взрывов. И вдруг — неожиданный всплеск.

В глубине Средиземного моря, где вода давит с силой сотен атмосфер, сеть светочувствительных шаров ждала редкого гостя. И он пришёл — нейтрино, которое пронесло через толщу Земли энергию, сравнимую с ударом летящего кирпича. Только вместо кирпича — крохотная частица, почти неосязаемая, но способная рассказать о самых бурных уголках космоса. Эту частицу назвали KM3-230213A.

Обычные детекторы тёмной материи похожи на футбольного вратаря, который ждёт мощного удара, а мяч еле катится. Частицы-невидимки, заполняющие нашу Галактику, часто движутся слишком медленно, чтобы их заметили чувствительные датчики.

В самом сердце Млечного Пути что-то непрерывно светится в гамма-лучах. Свет этот особенный — с энергией ровно 511 тысяч электронвольт. Такая энергия появляется, когда электрон встречает свою античастицу, позитрон, и они вместе исчезают, оставив вспышку света.

Лазерный луч, по мощности сопоставимый с шёпотом света, перевёл ядро тория-229 в возбуждённое состояние с более высокой энергией.

Кастрюля, в которой кипит суп из трёх ингредиентов. Повар меняет пропорции на ходу, и за этим следят по положению точки на треугольной шкале. Примерно так физики разбираются с нейтрино от взрыва сверхновой. Когда ядро звезды сжимается до чудовищной плотности, рождается поток нейтрино — лёгких частиц, почти не взаимодействующих с веществом.

Мощный прожектор светит сквозь густой туман. Самого луча не видно, но туман начинает слабо мерцать — и выдаёт присутствие прожектора. Похожий принцип работает с нейтрино: почти неуловимые частицы рождаются, когда быстрые протоны из далёких галактик врезаются в вездесущее реликтовое излучение (слабый микроволновый фон, оставшийся после…

Гамма-всплеск GRB 221009A полыхнул так ярко, что его назвали «ярчайшим за всё время». Обсерватория LHAASO поймала от него гамма-кванты с энергией вплоть до 13 ТэВ — это в тысячи раз больше, чем энергия частиц в рентгеновском кабинете.

Взрыв массивной звезды — событие яркое, но короткое. Сама вспышка длится недели, а вот нагретая ею пыль вокруг светится в инфракрасных лучах ещё долгие годы. Это как если бы вспышка фотоаппарата осветила комнату, а потом ещё долго тлели бы раскалённые пылинки в воздухе — только в космических масштабах.

Массивные горячие звёзды — это настоящие космические «кухни», где в ходе термоядерных реакций синтезируются тяжёлые элементы. Завершают они свою жизнь грандиозными взрывами сверхновых, разбрасывая «приготовленное» по Галактике.

Ночное небо кажется неподвижным, но многие звёзды дрожат, как барабан после удара. Спутник TESS семь лет подряд смотрел на одни и те же участки неба и уловил эту дрожь у 19 151 красного гиганта — старых раздувшихся звёзд. Раньше таких «звучащих» гигантов было известно куда меньше, а теперь список вырос сразу на 80%.

Радиоактивный тритий распадается, и из него вылетает электрон. Его энергия почти всегда одинакова, но иногда — чуть-чуть меньше. Этот «недобор» может означать, что вместе с обычным нейтрино родилась другая, скрытая частица. Стандартная модель описывает три типа нейтрино, но учёные подозревают, что есть и четвёртый — стерильный.

Свет далёких звёзд, пробиваясь сквозь космическую пыль, теряет часть своей энергии. Пылинки поглощают и рассеивают свет, и по тому, как именно они это делают на разных длинах волн, можно судить об их составе и размерах. Астрономы называют это кривой поглощения пыли.

Гамма-лучи с энергией выше ста триллионов электронвольт — как камни, брошенные с невероятной силой. Долгое время считалось, что запустить такие «камни» могут только протоны — тяжёлые частицы, разогнанные в космических ускорителях. Но новая работа показывает: иногда хватает и лёгких электронов.

Космические лучи — это не свет, а заряженные частицы, которые со всех сторон бомбардируют Землю. Большинство из них — протоны (ядра водорода), но попадаются и ядра потяжелее: гелия, азота, железа.

В октябре 2022 года космос устроил фейерверк, который заметили все детекторы на Земле. Взрыв, получивший имя GRB 221009A, был настолько ярким, что его назвали «самым ярким за всю историю наблюдений». Это гамма-всплеск — короткая, но чудовищно мощная вспышка, которая за секунды выбрасывает столько энергии, сколько Солнце не выработает за всю свою жизнь.