квантовые космологические неоднородности

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная напоминала кипящий котёл — сверхплотную, горячую плазму элементарных частиц. Согласно одной из гипотез, именно в этой среде могла родиться тёмная материя — невидимое вещество, которое своим гравитационным притяжением удерживает галактики от развала.

Переводчик в зале суда отвлекается на каждый шорох: скрип стула, кашель в заднем ряду, шелест бумаг. К концу дня он переводит не то, что сказал свидетель, а то, что услышал сквозь помехи. Редкие ошибки перевода — не результат одного громкого крика, а накопления множества мелких шумов.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное раздувание — инфляцию (экспоненциальное расширение пространства). Пространство растягивалось быстрее света, и квантовые дрожания вакуума — флуктуации полей, неизбежные в микромире, — превращались в настоящие частицы.

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.

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 1929 году Эдвин Хаббл навёл телескоп на далёкие галактики и обнаружил: они разбегаются. Девяносто лет спустя два измерения скорости этого разбегания — по древнему свету и по близким звёздам — упрямо не сходятся. Расхождение в 9% не спишешь на погрешность. Словно Вселенная в детстве и в зрелости живёт по разным часам. Представьте детские качели.

Гравитация — удивительно слабая сила. Маленький магнит удерживает скрепку вопреки притяжению целой планеты. Физики долго искали причину этой слабости, и одна из догадок уводит нас в скрытые измерения. Возможно, гравитация «растекается» по ним, теряя силу в нашем трёхмерном мире.

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?

Космическая рябь начинается с крошечных сгустков. Через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была почти однородной — перепады плотности составляли лишь одну стотысячную. Но гравитация превратила эти слабые всплески в галактики, скопления и гигантские пустоты.

Три невидимые струны колеблются в межгалактической пустоте. Это не поэзия, а гипотеза о природе тёмной материи — сверхлёгком квантовом поле со спином 1, несущем три поляризации.

Вселенная остывала, как гигантская ванна после горячего начала. Через 400 000 лет после Большого взрыва водород уже готов был рекомбинировать — протоны ловили электроны, чтобы стать нейтральными атомами. Но где-то в этой тёмной воде продолжал капать кран.

Внутри суперкомпьютера пятнадцать устойчивых волновых сгустков — солитонов — сталкиваются, чтобы сформировать гало тёмной материи. Эти волны подчиняются уравнению, которое в начале XX века вывел Эрвин Шрёдингер для электронов, но теперь они рисуют портрет гигантского галактического кокона.

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.

В первые мгновения после Большого взрыва вселенная раздувалась с чудовищной скоростью. Этот процесс называют инфляцией, и он сгладил все неровности, сделав космос однородным. Но что запустило саму инфляцию?

Когда после Большого взрыва остывающий космос терял первозданную симметрию, в полях возникали напряжения — словно в застывающем стекле вырастают микротрещины. Глобальные монополи, предсказанные Герардом 'т Хоофтом и Поляковым, стали такими же «шрамами» на теле мироздания. Каждый монополь — крошечный, но невероятно массивный узел поля.

В первые мгновения жизни Вселенной не было даже намёка на тёмную энергию — ту самую силу, что сегодня расталкивает галактики всё быстрее. Но если заглянуть глубже, на уровень планковских масштабов (в миллиарды миллиардов раз мельче атомного ядра), пространство-время перестаёт быть гладким.

Тёмная материя остаётся одной из величайших загадок современной физики. Ещё Вера Рубин, наблюдая вращение галактик, доказала, что видимого вещества недостаточно, чтобы удержать звёзды от разлёта.

После Большого взрыва Вселенная пережила стремительное расширение — инфляцию, разгладившую реликтовое излучение и посеявшую зачатки галактик. Но на квантовом уровне в поле инфлатона зрели хаотичные флуктуации.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная раздулась с невообразимой скоростью. Это раздувание оставило после себя рябь — мельчайшие уплотнения в горячем излучении и плазме. Когда Вселенная остыла, эти сгустки начали жить своей жизнью: одни рассеялись, а другие, самые плотные, сжались в черные дыры.

Горизонт чёрной дыры похож на мыльную плёнку, натянутую над бездной. Со стороны кажется идеально гладким, но вблизи он дрожит. Эта рябь рождается из-за квантовых флуктуаций — непрерывного рождения и исчезновения частиц в пустоте.

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.

Раскалённый бульон ранней Вселенной остывал неравномерно. В какой-то момент в нём начали лопаться пузырьки новой фазы — как пузырьки пара в закипающей воде. Только эти пузырьки были не из пара, а из нового состояния материи, в котором частицы тёмного сектора слиплись в более крупные комки. Так и могла родиться тёмная материя.

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

Космологическая постоянная Эйнштейна — досадная ошибка или прозрение, вернувшееся бумерангом? Ускорение Вселенной застало физиков врасплох: ΛCDM работает, но почему энергия вакуума столь нелепо мала? Вообразите океан, штормящий квантовыми флуктуациями, но на поверхности — лишь микроскопическая рябь.

В микромире дальнодействующие силы — гравитация или электричество — не выключаются даже на огромных расстояниях. Поэтому любая частица тянет за собой шлейф из мягких (то есть очень низкоэнергетических) фотонов или гравитонов. Этот шлейф называют «одеждой» — без него расчёты разваливаются, появляются бесконечности.

Ранняя Вселенная раздувалась с невообразимой скоростью — быстрее, чем свет успевал бы её пересечь. В этом кипящем котле любая область пространства была похожа на открытую банку с краской: её границы непрерывно захватывали новый «пар» извне, а часть собственного содержимого безвозвратно ускользала.

Позднюю Вселенную удобно представить как толпу, расходящуюся после концерта. В стандартной космологической модели ΛCDM люди идут молча, не мешая друг другу. Но что если тысячи зрителей начинают легонько подталкивать соседей?

В младенческой Вселенной царили квантовые флуктуации — микроскопические помехи, подобные шипению ненастроенного радиоприемника.

Парадокс молодого солнечного ветра долго не давал покоя гелиофизикам. Измерения показали: вблизи светила протонные пучки не размыты, а сжаты, словно кто-то аккуратно придал им форму головки молотка.

Кузнец куёт меч. С каждым ударом молота раскалённый металл плющится, но и сам молот, и наковальня, и воздух вокруг чуть нагреваются. Часть энергии удара безвозвратно уходит в тепло — и этот размен, знакомый каждому, кто хоть раз забивал гвоздь, оказывается ключом к самым большим загадкам космоса.

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

Горячий чай в морозилке не сразу покрывается льдом. Сначала в нём мечутся крошечные ледяные иголочки — возникают и тают, пока температура не упадёт достаточно, чтобы лёд схватился намертво. Примерно так же вела себя ранняя Вселенная, когда остывала и меняла своё внутреннее устройство.

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.

В тонком бутерброде из полупроводников свет рождает пары — электрон и положительную дырку, которые держатся вместе, как шарик на резинке. Обычно такие пары, экситоны, быстро излучают свет и исчезают. Но есть и другие — тёмные, живущие в сотни раз дольше, потому что их внутреннее устройство запрещает им легко отдавать энергию наружу.

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

Загадка пропавшего антивещества не даёт покоя физике с середины XX века. Большой взрыв должен был создать равные количества материи и антиматерии, но сегодняшний мир почти полностью вещественный. Стандартная модель бессильна объяснить эту барионную асимметрию — нужны новые частицы и механизмы за её пределами.

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.

Пруд, по которому бегут круги от упавшего камня. Так и в масштабах Вселенной: внезапный выброс энергии в тёмном секторе — невидимой субстанции, которая не излучает свет, — порождает рябь в ткани пространства. Эта рябь меняет путь частиц света, летящих к нам от самого рождения космоса. Авторы новой работы построили математический аппарат, чтобы описать эти искажения.

Аксионы — гипотетические элементарные частицы, введённые в теорию Роберто Печчеи и Хелен Квинн в 1977 году для разрешения так называемой сильной CP-проблемы в Стандартной модели физики частиц.

Магнит с единственным полюсом — северным, без южного — это не обломок, а отдельная частица. Её называют магнитным монополем (носителем одного магнитного заряда). Рождение таких гостей возможно в ранней Вселенной, когда силы только разделялись. А рядом с ними могло существовать поле аксионов — невидимых и почти невесомых частиц, из которых, вероятно, состоит тёмная материя.