первичные гравитационные волны

В первые доли секунды после Большого взрыва Вселенная была ареной стремительных перемен. Представьте натянутую резиновую пленку, которая быстро остывает и покрывается микроскопическими трещинками. Похожий процесс в космическом масштабе мог породить космические струны — тончайшие, но сверхплотные нити энергии, протянувшиеся через всю Вселенную.

Камень падает в спокойную воду — и по глади расходятся ровные кольца. Если же камень не просто падает, а ещё и вращается, на поверхности появляются маленькие воронки — вихри. Свет умеет делать то же самое, только вместо воды — само пространство и время.

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

13,8 миллиардов лет назад Вселенная кружилась в вальсе. Поворот направо был запрещён. Сегодня отголоски того космического бала доходят до нас в виде едва уловимой ряби пространства-времени — гравитационных волн. Их существование предсказал Эйнштейн.

Представьте раннюю Вселенную как невообразимых размеров колокол. Инфляция — эпоха стремительного расширения, придуманная Аланом Гутом, — ударяет в него, и по ткани пространства-времени расходится волна. Часть этой волны застывает в виде гравитационных вибраций, другая — превращается в невидимые частицы.

Низкий гул, идущий из-под земли, может оказаться шумом далёкой стройки, а может — отголоском древнего землетрясения. Похожая загадка встала перед астрономами, когда в 2023 году они уловили сверхнизкочастотные гравитационные волны — дрожь самого пространства-времени, бегущую сквозь Вселенную.

В 1981 году Алан Гут предложил сценарий космологической инфляции — молниеносного раздувания пространства, растянувшего квантовые флуктуации до масштабов целых галактик. С тех пор космологи, словно археологи, ведут раскопки этого события по структурам Вселенной.

Словно тончайший часовой механизм, многопланетная система чутко реагирует на малейший толчок. И когда звезда в центре этого механизма умирает, сбрасывая оболочку и превращаясь в белый карлик, даже скромный пинок со скоростью 0,75 км/с способен запустить каскад событий, выбрасывающих целые миры в межзвёздную пустоту.

Ранняя Вселенная напоминала переполненный зал, где тяжёлые частицы сталкивались и распадались в оглушительном темпе. Среди них могли быть скалярные лептокварки — частицы, которые одновременно цепляются за кварк (кирпичик материи) и лептон (например, электрон).

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.

Всё началось не с пустоты, а с кипящего океана плазмы. В этом первозданном бульоне звуковые волны бежали сквозь огненную материю, сталкивались и уплотняли её. Иногда сгусток становился настолько плотным, что свет уже не мог вырваться — и прямо из раскалённого газа рождалась первичная чёрная дыра.

Гул стоит по всей Вселенной. Это не звук, а дрожь самого пространства — гравитационный волновой фон. Его создают пары сверхмассивных чёрных дыр, кружащих друг вокруг друга в центрах далёких галактик. Каждая такая пара — как басовый инструмент в огромном оркестре. Поймать соло одного инструмента на фоне общего гудения — задача для пульсарных антенн.

В кухонном шкафу стоит банка с сахаром. Если её встряхнуть, крупинки распределятся почти равномерно — не нужно выкладывать каждую пинцетом. Примерно так же могли появиться крошечные чёрные дыры в первые мгновения после Большого взрыва. Их масса — как у астероида, размер — меньше атома.

Астрономы слушают космос подобно старому радиоприёмнику: они не ищут конкретную станцию, а вращают ручку, чтобы уловить любой необычный шум.

Вселенную заполняет невидимая субстанция — тёмная материя, проявляющая себя лишь гравитационным притяжением.

В ранней Вселенной возникали первичные чёрные дыры — объекты не больше атома, но с массой горы. Они постепенно испаряются, теряя энергию через излучение, и перед исчезновением должны создавать гравитационные волны — рябь пространства-времени.

Прожектор светит сквозь тёмный зал. Между лампой и стеной проплывает невидимая линза — и пятно света на мгновение становится ярче, чуть смещается. Именно это пять ночей подряд высматривал телескоп DECam, нацеленный на Большое Магелланово Облако — галактику-спутник нашего Млечного Пути. Он поймал вспышку длиной всего в час.

Губка, брошенная в ведро с водой, жадно впитывает влагу и разбухает на глазах. Но если воду постоянно доливать, а губку то сжимать, то отпускать, впитывание становится сложнее и длится дольше. Примерно так вели себя крошечные чёрные дыры в самом начале жизни Вселенной.

Два океанских лайнера идут ночью без огней. Один построен на верфи из стальных листов, другой словно вырос сам собой из пены и волн. На слух они почти неразличимы, но опытный гидроакустик уловит разницу в гуле винтов и обводах корпуса.

Крошечная чёрная дыра размером с атомное ядро, но массой с гору возникла в первые мгновения после Большого взрыва, когда случайные сгустки энергии схлопывались в такие объекты.

Загадка тёмной материи, впервые замеченной в звёздных водоворотах Веры Рубин, терзает физику без малого век. Одна из самых дерзких гипотез — первичные чёрные дыры, родившиеся в раскалённом бульоне ранней Вселенной. Обычно их появление связывают с квантовыми флуктуациями во время инфляции, требующими тонкой настройки параметров.

Первое, что приходит на ум при мысли о рождении Вселенной, — взрыв. Но современная космология рисует более изысканную картину: рождение сквозь горлышко винного бокала. Эта геометрия — не фантазия сомелье, а строгая форма евклидовой кротовой норы, которая связывает два анти-деситтеровских мира.

Сразу после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное расширение — космологическую инфляцию.

Сразу после Большого взрыва пространство-время покрылось рябью — гравитационными волнами, словно от брошенного камня. Эти колебания самой ткани мироздания, предсказанные в инфляционной модели Аланом Гутом, растянулись на всю Вселенную. Рябь слегка уплотнила первичное вещество в одних местах и разре́дила в других.

Детекторы гравитационных волн ловят низкочастотный гул, похожий на шум далёкого водопада. Телескоп Уэбба находит в ранней Вселенной галактики с чёрными дырами, которые кажутся слишком массивными для столь юного возраста.

Вселенная исполняет симфонию в двух контрастных темпах. Первый взрывной акселерандо — инфляция, придуманная Аланом Гутом, — взметнула пространство-время в первой триллионной доле секунды. Второй разгон — медленный, но неумолимый — начался пять миллиардов лет назад.

Огромный оркестр настраивается перед концертом. Каждый инструмент издаёт свой шум, и в общем гуле трудно разобрать отдельные звуки. Но если дирижёр на секунду взмахнёт палочкой особым образом, все скрипки одновременно возьмут одну высокую ноту — и этот чистый звук прорежет какофонию. Именно такой «дирижёрский взмах» мог произойти в первые мгновения жизни Вселенной.

Обычно историю Вселенной рассказывают так: было ничто, потом взрыв, и с тех пор всё разлетается. Но что, если никакого «ничто» не было? Группа физиков показала, что Вселенная могла существовать вечно — просто иногда она сжималась, а потом снова расширялась, как пружина. В их модели пространство замкнуто само на себя, словно поверхность огромного шара.

Ночь, огромное озеро, полная тишина. Волн не видно, но слышно, как они с равным шумом накатывают на берег со всех сторон. Это похоже на то, что астрономы называют гравитационно-волновым фоном — несмолкающий гул от слияния далёких чёрных дыр. Но что, если в какой-то стороне озера плеск чуть громче?

Крошечная чёрная дыра размером с атомное ядро парит в раскалённом бульоне ранней Вселенной. Обычно такая малютка должна быстро испариться, выпустив энергию, словно капля воды на сковородке. Но если пространство устроено сложнее, чем кажется, и содержит скрытые измерения, всё меняется.

Вселенная началась не с безмолвия, а с грандиозного всплеска — первичные гравитационные волны, рябь самой ткани пространства-времени, до сих пор разносят эхо того события. Уловить это эхо астрофизики пытаются двумя взаимодополняющими методами.

Стандартная космологическая модель описывает рождение Вселенной как взрыв из сингулярности — точки с бесконечной плотностью и кривизной пространства-времени.

Большой взрыв был подобен космическому раскату грома, заставившему ткань пространства-времени вибрировать. Эти вибрации — гравитационные волны — до сих пор расходятся по Вселенной, словно эхо от давнего события.

Первичные чёрные дыры ведут себя подобно закипающим чайникам: в процессе испарения они испускают «свист» — гравитационные волны, рябь самого пространства-времени.

Вселенная в первые мгновения напоминала тесто, которое то стремительно поднимается, то на секунду замирает. В эти короткие рывки — их называют расширением с перерывами — даже крошечные магнитные поля могли вырасти, как пузырьки в хорошо взбитом тесте.

Вселенная началась с Большого взрыва и последующей инфляции — резкого расширения. Алан Гут предположил, что в некоторых областях этот рост так и не остановился. Они навсегда остались «недопечёнными» карманами вечного расширения.

Вселенная, согласно этой гипотезе, ведёт себя подобно сжатой пружине: она коллапсирует до микроскопических масштабов, а затем вновь расширяется в фазе отскока.

Ночью, когда большинство людей спит, огромная тарелка радиотелескопа «Грин-Бэнк» в Западной Вирджинии продолжает слушать небо. За 24 186 часов — это почти три года непрерывного наблюдения — она поймала 50 пульсаров и три быстрых радиовсплеска.

Тёмная материя, возможно, представляет собой не гипотетические частицы, а первичные чёрные дыры — объекты, возникшие в эпоху Большого взрыва. Представьте раннюю Вселенную как замешиваемое тесто: в этой аналогии чёрные дыры играют роль тяжёлых зёрен, которые, почти не смещаясь под действием собственной инерции, локально искажают гравитационное поле.

Дорожный шум — удивительно точный информатор. Редкие автомобили порождают отдельные, легко различимые звуковые сигналы; плотный же трафик сливается в ровный, почти монотонный гул.