первичные магнитные поля

Свет от самой горячей стадии Вселенной летит к нам почти 14 миллиардов лет. Это реликтовое излучение — слабое свечение, заполняющее всё небо, своего рода «эхо» Большого взрыва. Недавно астрономы заметили странность: его поляризация — направление колебаний электрического поля — оказалась повёрнута примерно на 0,3 градуса.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стадию стремительного расширения — инфляцию. Даже физический вакуум тогда не был спокоен: квантовые флуктуации раскачивали фундаментальные поля, словно ветер колосья в поле.

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.

Вселенная пронзительно звенела в первые мгновения. В эпоху инфляции, когда пространство расширялось быстрее света, энергии были чудовищны — в триллионы раз выше, чем в Большом адронном коллайдере.

С тех пор как Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, закон расширения Вселенной — закон Хаббла — остаётся краеугольным камнем космологии.

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.

В раскалённой плазме младенческой Вселенной, сразу после инфляционного расширения, придуманного Аланом Гутом, царила эпоха кинетического доминирования.

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

Вселенная расширяется, и в её истории есть два удивительных эпизода, которые пока не укладываются в простую картину. Первый — короткий период в молодости, когда всё разлеталось быстрее, чем ожидалось, словно кто-то нажал педаль газа. Второй — сегодняшнее ускорение, будто та же педаль снова утоплена, но уже мягче.

Чёрные дыры известны в двух крайних проявлениях: объекты звёздных масс — финал эволюции массивных светил, и сверхмассивные гиганты, царящие в центрах галактик. Промежуточное звено — чёрные дыры средней массы — долго ускользало от наблюдателей.

Древний свет — космическое микроволновое фоновое излучение, — путешествуя 14 миллиардов лет, приходит к нам со всех направлений. На первый взгляд оно идеально однородно, но при детальном анализе в нём проступают мельчайшие температурные колебания — как рябь на гладкой плёнке. Эта рябь не случайный шум, а зашифрованная летопись ранней Вселенной.

В раскалённом котле ранней Вселенной вакуум, словно переохлаждённая жидкость, мог вскипать пузырями новой фазы. Долгое время физики возлагали надежды на эти пузыри как на источник первичных чёрных дыр (ПЧД) — идеальных кандидатов в тёмную материю.

Горсть медных монет, рассыпанных по треугольной сетке, застывает в странном порядке, когда через них пропускают ток. Примерно так ведут себя крошечные магнитные стрелки — спины электронов — в кристалле с редким названием Y-капеллазит.

Шаровые скопления — это плотные «клубки» из сотен тысяч звёзд, которые обращаются вокруг центра Млечного Пути. Одни родились в нашей Галактике, другие были захвачены, когда Млечный Путь поглощал карликовые галактики-спутники. Различить их можно по химическому составу, но у астрономов появился новый инструмент — динамический возраст.

Огромное тёмное облако газа раскинулось по молодой Вселенной. Внутри него, словно невидимые пальцы, пронизывают магнитные силовые линии, оставшиеся от самого рождения мира. Эти поля действуют на заряженные частицы, подталкивая их друг к другу — как лёгкий ветер, сгоняющий опавшие листья в кучки.

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.

В большом облаке газа, где рождаются звёзды, силовые линии магнитного поля выстроены примерно в одном направлении — как волокна в куске войлока. Но стоит заглянуть внутрь, в плотные сгустки, из которых потом получатся звёзды, и картина меняется: там линии закручены в разные стороны, словно клубок ниток после игры котёнка. Астрономы измерили направления поля в 79 таких сгустках в 14 разных облаках.

Восемь красных гигантов — раздувшихся старых звёзд вроде будущего нашего Солнца — ведут себя не по нотам. Их поверхность мерно колеблется, как колокол, но в этом звоне слышны сбои: часть тонов пропадает, а ритм ломается. Учёные заподозрили, что внутри прячется невидимая рука — магнитное поле, и попытались вычислить его силу.

Вокруг молодых звёзд кружатся диски из газа и пыли — строительный материал для будущих планет. Внутри этих дисков пылинки не просто летают как попало: они выстраиваются вдоль невидимых линий, по которым течёт газ. Недавно астрономы заметили, что пылинки в таких дисках ведут себя как воланы для бадминтона — всегда разворачиваются длинной стороной по ветру.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была не пустой и тихой, а наполненной горячей плазмой, частицами и магнитными полями. Среди частиц, возможно, были аксионы — лёгкие и почти неуловимые кандидаты на роль тёмной материи.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) зафиксировал в ранней Вселенной компактные, но аномально яркие объекты с красным смещением. Их светимость в сотни раз превышает типичные показатели для галактик той эпохи. Астрофизики полагают, что внутри скрываются чёрные дыры с массами порядка миллиардов солнечных.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой квантовый вакуум, где спонтанно рождались и почти сразу аннигилировали пары частиц и античастиц — виртуальных «гостей» из физического ничто.

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.

Мощный лазер бьёт по крошечной мишени — и та мгновенно превращается в облако раскалённого газа, плазмы. В этом облаке сами собой рождаются магнитные поля. Они, как невидимые руки, мешают теплу свободно уходить из горячего центра.

В холодных газовых облаках, где рождаются звёзды-гиганты, всё кипит от движения. Газ сжимается, закручивается, дробится на сгустки — будущие звёзды. Долгое время считалось, что порядок здесь наводит магнитное поле: оно, как невидимые нити, вытягивает сгустки поперёк себя. Но новые наблюдения показали обратное. Астрономы навели радиотелескоп ALMA на 30 областей, где формируются массивные звёзды.

Где-то над нашими головами, каждую секунду, в атмосферу врезается протон, разогнанный до энергии, в миллионы раз большей, чем в Большом адронном коллайдере. Он ударяет по молекуле воздуха, и рождается каскад — широкий атмосферный ливень из тысяч частиц.

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.

В иле на дне пруда живут бактерии, которые носят внутри себя крошечные магнитные стрелки. Эти стрелки — цепочки кристаллов магнетита, и они помогают бактериям плыть вдоль магнитного поля Земли, как стрелка компаса, в поисках лучших условий. Когда бактерии погибают, цепочки остаются в осадке и могут сохраняться миллионы лет.

Ранняя Вселенная напоминала строительную площадку, где вместо медленного возведения этажей использовали готовые блоки. Этими блоками стали первичные чёрные дыры — объекты, рождённые в первые доли секунды после Большого взрыва из экстремальных сгущений энергии.

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.

Слияние чёрных дыр порождает гравитационную волну — рябь пространства-времени. Иногда на её пути оказывается галактика или сгусток тёмной материи — загадочной субстанции, предсказанной Фрицем Цвикки и подтверждённой наблюдениями Веры Рубин по вращению…

Представьте скоростную автостраду: равномерный поток машин вдруг сбивается в пробку из-за случайных замедлений — кто-то притормозил, и волна уплотнения пошла назад. В молодой Вселенной общее расширение после Большого взрыва напоминало такое же упорядоченное движение: галактики разлетались, подчиняясь глобальному хаббловскому потоку.

Вселенная заполнена невидимой массой — тёмной материей, которая проявляет себя только через гравитацию. Одна из гипотез предполагает, что тёмная материя состоит из первичных чёрных дыр — объектов, образовавшихся в экстремальных условиях сразу после Большого взрыва. Эти чёрные дыры могут иметь массу, сравнимую с астероидом, и размер меньше атомного ядра.

Вселенная после Большого взрыва была почти идеально однородной. Почти — потому что крошечные неоднородности плотности, растянутые инфляцией, стали зародышами галактик. Но что, если эти же неоднородности могли рождать не только звёзды, но и чёрные дыры?

Ночь 4 марта 2024 года. Радиотелескоп MeerKAT в ЮАР ловит миллисекундный импульс — быстрый радиовсплеск, пришедший из глубины в 17.4 гигапарсека. Это свет, который шёл до Земли 10.5 миллиардов лет. В тот момент Вселенной было всего три миллиарда лет — юность, когда галактики рождали звёзды с бешеной скоростью.