эра доминирования излучения

В первые полмиллиарда лет после Большого взрыва галактики росли как на дрожжах. Газ стремительно падал в них и схлопывался в звёзды, не встречая сопротивления. Этот период называют «беспрепятственным звездообразованием». Всё равно что жарить блины на раскалённой сковороде без крышки: брызги летят, но никто их не сдерживает.

В классической физике существует фундаментальное ограничение: плотность энергии не может быть отрицательной, а её поток не может превышать скорость света. Представьте кафе: официант не способен разносить заказы быстрее, чем бегает сам. Физики называют это условием энергодоминантности (dominant energy condition).

Яркий фонарь в густом тумане кажется тусклым, а слабый огонёк в прозрачном воздухе виден за километр. Эта аналогия помогает понять парадокс, почти полвека ставивший в тупик астрофизиков.

Кипящая вода в кастрюле — вот с чего стоит начать. Пузыри пара всплывают, лопаются, и поверхность успокаивается. Примерно так же в первые мгновения жизни Вселенной могло вести себя особое поле, заполнявшее пространство: в нём надувались и сталкивались пузыри новой фазы — как островки пара в жидкости.

Долгое время в космологии царило убеждение, идущее от Хокинга: в радиационную эпоху первичные чёрные дыры не растут.

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.

Стандартная космологическая модель ΛCDM, где тёмная материя и тёмная энергия выступают главными архитекторами мироздания, десятилетиями предсказывала астрономические данные с точностью швейцарского хронометра. Её фундамент закладывали три гения. Жорж Леметр предположил расширение из сверхплотного «атома».

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.

Эллиптические галактики — тихие звёздные мегаполисы на пенсии. По всем законам их свет должен быть спокойным, красноватым, как закат. Но спектры кричат об обратном: в далёком ультрафиолете эти старушки полыхают, словно новогодние гирлянды. Три десятилетия астрономы ломали голову над этим «ультрафиолетовым подъёмом» (UV upturn).

Происхождение горячего Большого взрыва — одна из величайших загадок. Привычная картина: после инфляции поле инфлатона передаёт энергию обычным частицам, разогревая Вселенную. Однако тёмная материя и тёмная энергия подсказывают, что у природы есть скрытые секторы.

Восемьсот миллионов лет назад в главном поясе астероидов разбилась исполинская чернильница. Родительское тело диаметром более ста километров, состоявшее из примитивных углистых хондритов, внезапно разрушилось вблизи резонанса J3:1 с Юпитером.

Улица, где только что построили дома. Одни сияют чистыми окнами, другие затянуты строительной пылью. Примерно так выглядели галактики, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет. Новый телескоп «Джеймс Уэбб» заглянул в ту эпоху и увидел десятки ярких звездных островов. Удивило не их количество, а то, какими разными они оказались.

Сразу после Большого взрыва в космосе могли плавать сгустки весом в триллион солнц и с электрическим зарядом колоссальной силы — как триллионы наэлектризованных шариков.

Наша Солнечная система — не остров в пустоте, а чуткая паутина, натянутая в тёмном космическом углу. Планеты кружат по своим орбитам, словно капли росы на нитях, а мы — паук, который ощущает малейшее дрожание. Именно эта дрожь и выдаёт приближение катастрофы, которую астрономы называют Большим разрывом.

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.

После Большого взрыва тёмная материя — загадочный компонент, проявляющий себя только через гравитацию — и обычное вещество, состоявшее в основном из водорода, приобрели разные скорости.

В саду, где первые же цветы не просто распускаются, а тут же роняют семена далеко за ограду, есть что-то невероятно щедрое. Похожее происходило в юной Вселенной. Галактики, возникшие спустя каких-то 500–700 миллионов лет после Большого взрыва, уже были окружены газом, полным углерода, кремния и кислорода — элементов, которые рождаются только внутри звёзд.

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.

После Большого взрыва космос заполнила смесь нейтральных газов — преимущественно водорода и гелия. Эта холодная материя окутала Вселенную, словно плотный утренний туман, непроницаемый для излучения. Наступила эпоха, называемая Тёмными веками.

На протяжении 800 000 лет ледниковые периоды наступают с ритмичностью примерно в 100 000 лет. Этот ритм удивительно совпадает с изменениями вытянутости (эксцентриситета) земной орбиты — одним из циклов Миланковича. Но вот парадокс: орбитальные колебания меняют приток солнечной энергии едва заметно, словно дирижёр едва шевелит палочкой, а оркестр разражается громом.

Плотность в центре нейтронной звезды такова, что чайная ложка её вещества весила бы как гора. Физики давно пытаются понять, насколько массивной может быть такая звезда, прежде чем она схлопнется в чёрную дыру.

На заре Земли, около четырёх миллиардов лет назад, планета была суровым местом: тусклое солнце, частые удары астероидов, воздух без кислорода. В таких условиях первые шаги жизни кажутся почти невозможными. Но есть гипотеза, что жизнь укрылась в тёплых мелких прудах, где вода то высыхала, то вновь наполнялась.

Нейтрино — крошечные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом. Они беспрепятственно проходят сквозь звезду, как пули сквозь туман. Когда массивная звезда готовится к взрыву, её ядро сжимается, температура растёт, и из неё начинают вылетать нейтрино.

В середине XX века астроном Вера Рубин обнаружила, что звёзды на окраинах галактик движутся слишком быстро — их удерживает невидимая масса.

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.

В первые мгновения после Большого взрыва космос представлял собой горячий, бурлящий «бульон» из полей и частиц. В этой среде, подобно комочкам муки, сворачивались и набухали плотные сгустки энергии — осциллоны.

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.

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.

Анализируя цветовые метки — соотношение яркости в разных спектральных диапазонах на снимках космического телескопа «Джеймс Уэбб», астрономы выявили галактики, свет которых резко обрывается в ультрафиолетовой области.

У экзопланеты TRAPPIST-1 кислородный фотосинтез — процесс, при котором световая энергия преобразуется в химическую с выделением кислорода, — проигрывает гонку за выживание. Эта звезда-карлик спектрального класса M излучает преимущественно в инфракрасном диапазоне, а не в видимом, как Солнце.

После Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую, плотную среду. В сгустках тёмной материи — загадочного невидимого вещества, проявляющего себя исключительно через гравитацию, — частицы, сталкиваясь, аннигилировали, то есть исчезали, преобразуясь в мощное излучение.

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.

Ночью над сибирской тайгой иногда вспыхивает слабый голубой свет. Это не северное сияние, а космический ливень: одна частица из далёкого космоса врезается в атмосферу и рассыпается на миллионы вторичных частиц. Они летят к земле широким фронтом, как волна от брошенного в воду камня, и заставляют воздух светиться. Установки «Тунка-133» и TAIGA-HiSCORE семь лет следили за такими вспышками.

Воздушный шар ATIC поднялся над Антарктидой и поймал частицы, которые старше самой Земли. Среди них — ядра атомов от серы до хрома, и чем выше их энергия, тем больше их доля по сравнению с железом. Стандартная модель «дырявого ящика» предсказывала обратное: тяжёлые ядра должны были растворяться, как соль в воде. Но данные упрямо росли.