самовзаимодействующая тёмная материя

Кристалл никеля, облучённый ионами, похож на зал, где после концерта остались лишние стулья. Стулья эти — атомы, втиснутые между узлами решётки. Сначала они сбиваются в кучки, а потом выстраиваются в кольца: одни кольца лежат на полу неподвижно, другие катятся по залу, как обручи. Вопрос, почему одни катятся, а другие нет, долго не давал покоя материаловедам.

Свет далёкой галактики пробивается к нам сквозь собственную пыль. Пыль эта — не ровный туман, а рваные облака, похожие на клочья ваты. Старые модели считали её однородной дымкой, и тогда галактика не сходилась по энергии: слишком много света пропадало в ультрафиолете и слишком мало возвращалось в инфракрасном. Астрономы поступили как повар, который вместо целой картофелины кладёт в суп кубики.

Радиотелескоп с пятисотметровой тарелкой FAST зарегистрировал сигнал на длине волны 21 сантиметр — это спектральная линия излучения холодного нейтрального водорода. Сигнал исходил от облака, получившего название Cloud-9. Оно находится вблизи галактики M94, но не содержит ни одной звезды.

В далёком космосе существует гипотетический объект — ультрахолодная чёрная дыра. Она несёт электрический заряд и находится в расширяющейся вселенной — пространстве де Ситтера, где доминирует космологическая постоянная. Её температура близка к абсолютному нулю — примерно на одну триллионную градуса выше него.

Свет далёких квазаров, прорываясь сквозь миллиарды лет, оставляет на космической киноплёнке узор тёмных линий поглощения — спектроскопический лес Лайман-альфа. Каждая линия — словно нота в грандиозной партитуре, записанной водородом межгалактической среды.

Большой подземный бак с жидким ксеноном ждёт редкого события — толчка от частицы тёмной материи. Обычно гравитация слишком слаба, чтобы такой толчок заметить. Но если у пространства есть скрытые измерения, всё меняется: на крошечных расстояниях гравитация резко усиливается, и шанс засечь неуловимую частицу растёт.

Гигантское облако невидимого вещества работает как кривое зеркало — искажает свет далёкой галактики. По этим искажениям астрономы могут взвесить облако и заглянуть в его недра. Именно так, с помощью природной гравитационной линзы с кодом JVAS B1938+666, учёные наткнулись на странность: внутри линзы прячется объект массой в миллион солнц, но сжатый до неожиданно маленького объёма.

Вселенная растёт, как мегаполис: галактики-небоскрёбы возводятся на невидимом каркасе из тёмной материи — гипотетической субстанции, не излучающей свет, но создающей гравитационное притяжение, которое стягивает строительный материал.

Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток взрыва сверхновой, где чайная ложка вещества весит миллиард тонн. Многие из них, как открыла ещё в 1967 году Джоселин Белл Бернелл, становятся пульсарами — космическими маяками, регулярно вспыхивающими в радиодиапазоне.

Космологи устроили очную ставку двум видам космических взрывов. Сверхновые типа Ia — это звёзды, которые вспыхивают с почти одинаковой яркостью, поэтому служат надёжными маяками для измерения расстояний во Вселенной. Гамма-всплески гораздо мощнее, но капризнее: их видно с огромных расстояний, только вот сила вспышки каждый раз разная.

Тёмная материя — невидимый каркас вселенной. Она не светится, но её притяжение удерживает звёзды в галактиках. В некоторых моделях частицы этой материи могут сталкиваться и обмениваться энергией, как молекулы в нагретом воздухе.

Представьте автомобиль на круиз-контроле: наезжая на кочку, скорость кратковременно подскакивает, но мотор продолжает работать равномерно. Нечто подобное недавно обнаружили у тёмной энергии — загадочной субстанции, заставляющей Вселенную расширяться с ускорением.

Архитектор сверяется с чертежом, когда строит дом. У космологов чертёж — это стандартная модель, а рулетка — свет далёких галактик. Недавно новая «рулетка», прибор DESI, измерила расстояния до миллионов галактик с невиданной точностью. И цифры не совпали с чертежом.

Вселенная — огромный город. Тёмная материя — невидимый каркас зданий, а тёмная энергия — сила, растягивающая улицы. Долгое время их считали независимыми, но новое исследование уличило их в тайном общении.

Двое часов показывают разное время. Одни стоят у нас на столе, другие — далеко в прошлом, в свечении, оставшемся после Большого взрыва. Первые, глядя на близкие галактики, отсчитывают скорость расширения Вселенной — около 73 километров в секунду на каждый мегапарсек расстояния. Вторые, вглядываясь в древний свет, дают заметно меньше — примерно 67.

Воздушный шарик надувается сам по себе, хотя никто не дует. Примерно так выглядит ускоренное расширение Вселенной — и чтобы его объяснить, обычно привлекают тёмную энергию, невидимую и непонятную силу. Но что, если шарик раздувается потому, что внутри него непрерывно появляются новые молекулы воздуха?

Раскрученный волчок на столе покачивается: ось вращения наклонена, и движение становится неровным. Похоже ведут себя чёрные дыры, вокруг которых крутится диск из газа и пыли. Если оси вращения чёрной дыры и диска не совпадают, вся система начинает вибрировать, порождая рябь в пространстве-времени — гравитационные волны.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро схлопывается, а ударная волна мчится наружу. Но ещё до того, как звезда разорвётся, в её недрах могут рождаться частицы, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом. Если они распадаются на свет, то энергия уходит в плотный газ вокруг звезды. Этот газ, словно одеяло, окутывает звезду.

Тёмная материя невидима, но её притяжение удерживает галактики от разлёта. Долгое время считалось, что частицы тёмной материи пролетают друг сквозь друга, не замечая. Однако в маленьких галактиках плотность тёмной материи в центре оказалась ниже, чем предсказывают расчёты.

Телескоп «Джеймс Уэбб» всмотрелся в скопление галактик AS1063 и разглядел десятки тысяч шаровых скоплений — плотных звёздных «клубков», разбросанных по всему скоплению. Их расположение совпало с картой невидимой массы, которую строят по искривлению света далёких галактик.

Вселенная расширяется всё быстрее. Раньше это списывали на тёмную энергию — загадочную силу, которая работает одна. Но последние измерения словно подслушали чужой разговор: похоже, тёмная энергия не молчит, а перешёптывается с тёмной материей.

Вселенная расширяется, и скорость этого расширения — предмет активных дискуссий в космологии. Ещё почти сто лет назад Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики разбегаются, но современные измерения постоянной Хаббла, характеризующей темп расширения, дают противоречивые значения.

Тёмная материя — невидимое вещество, которое держит галактики вместе, но не испускает свет. Поймать её частицы — всё равно что услышать шёпот в шумном зале. Обычные детекторы слышат только громкие удары, а слабые сигналы тонут в помехах. В жидком аргоне частица тёмной материи, столкнувшись с ядром атома, выбивает искру света и облако зарядов. Но при слабом толчке искра едва тлеет.

В грандиозном космическом спектакле тёмная энергия — загадочная сила, ответственная за ускоренное расширение Вселенной — и тёмная материя — невидимое вещество, проявляющее себя лишь гравитацией — обмениваются энергией.

Частицы тёмной материи — таинственной субстанции, не испускающей и не поглощающей свет, — могут проявлять свойства, напоминающие патоку. В одной теоретической модели они движутся свободно, не взаимодействуя друг с другом; в другой — испытывают слабые столкновения, порождая своеобразную вязкость.

Ещё в 1970-х Вера Рубин, изучая кривые вращения галактик, обнаружила, что звёзды на их окраинах движутся слишком быстро — словно их удерживает невидимая паутина, не дающая разлететься. Ещё раньше, в 1930-х, Фриц Цвикки, анализируя движение галактик в скоплении Кома, первым заподозрил существование огромной скрытой массы.

Два телескопа смотрят в одну Вселенную и видят разные скорости. Локальные измерения на сверхновых дают 73.04 ± 1.04 км/с/Мпк, а данные реликтового излучения в стандартной модели предсказывают 67.36 ± 0.54. Расхождение в 5.7σ не похоже на случайность — это напряжение Хаббла, трещина в фундаменте космологии.