рост структуры

Старый звёздный шар, собравший сотни тысяч солнц, миллиарды лет кружит по окраине карликовой галактики. По расчётам он давно должен был рухнуть в центр, как тяжёлый камень в киселе. Но шар держится на месте, и этот факт не даёт покоя астрофизикам уже несколько десятилетий.

Перепись населения по форме тела: так можно описать то, что сделали астрономы с 6348 массивными галактиками. Вместо роста и веса они измерили, насколько свет сконцентрирован к центру, насколько галактика сплюснута и насколько её форма несимметрична. Потом те же измерения провели для галактик из трёх компьютерных моделей Вселенной и сравнили результаты.

В тёмной комнате сканера человек следит за редкими вспышками на экране. Инфракрасная камера снимает его зрачок тысячу раз в секунду, а магнитно-резонансный томограф в это время записывает, какие участки мозга включаются.

Старый город обзаводится новыми предместьями. В центре — узкие улочки, где жизнь почти замерла, а на окраинах кипит стройка. Так выглядит спиральная галактика, в ядре которой звёзды давно состарились, а во внешнем диске всё ещё рождаются новые.

Представьте завод, способный выпускать миллион деталей в час, но по какой-то причине производящий лишь сотню. Примерно так ведёт себя наша Вселенная, если рассматривать её через призму энтропии — физической величины, характеризующей степень беспорядка, которая, согласно второму началу термодинамики, в замкнутой системе должна только возрастать.

Представьте джазовый ансамбль: сперва — какофония случайных нот, а затем внезапно рождается цепляющий рифф, который звучит снова и снова. Такова и загадка происхождения жизни — только на языке химии.

Стандартная космологическая модель ΛCDM — включающая тёмную энергию и холодную тёмную материю — подобна партитуре космической симфонии. Она описывает, как после Большого взрыва расширялось пространство, как сгущалась тёмная материя и как зажигались галактики.

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.

Вселенная похожа на огромный невидимый каркас. Мы не видим его напрямую, но знаем, что он есть: галактики и скопления держатся вместе именно благодаря ему. Этот каркас — тёмная материя, гипотетическая форма материи, не испускающая и не поглощающая свет, но проявляющая себя через гравитацию.

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?

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.

С тех пор как Фриц Цвикки заметил, что скопления галактик движутся слишком быстро, а Вера Рубин измерила вращение спиральных рукавов, тёмная материя остаётся главной загадкой космологии.

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.

Когда мы смотрим вглубь космоса, мы видим прошлое. Закон Эдвина Хаббла превращает красное смещение в машину времени: свет от галактики UDS 12999 шёл до нас 7.6 миллиарда лет — больше половины жизни Вселенной.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была не безмолвной пустотой, а кипящим котлом плазмы, пронизанной звуковыми волнами. Когда температура падала, космос переживал фазовые переходы — спонтанные перестройки, рождавшие пузыри новой фазы.

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.

История началась с нехватки массы. В 1930-х Фриц Цвикки, измеряя скорости в скоплениях галактик, первым заподозрил присутствие невидимого вещества. Позже Вера Рубин показала, что окраины спиральных галактик вращаются слишком быстро для видимой материи.

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 центре галактики гравитация сгущает тёмную материю в плотный «шип». Такой тёмный шип похож на воронку из невидимых частиц вокруг массивного тела. Но если и центр, и частицы — первичные чёрные дыры, картина ломается. Лёгкие дыры, размером с астероид, рождаются почти без вращения.

Линзовидные галактики — космические «тихони»: диск есть, а ярких спиральных рукавов нет. Долгое время их происхождение оставалось загадкой. Команда учёных запустила компьютерную симуляцию Hydrangea и проследила судьбу каждой галактики от молодости до наших дней. На графике «масса-размер» эти галактики выстроились в букву V.

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.

В сборке Солнечной системы, словно в дегустационном меню высокой кухни, рецепт не всегда фиксирован заранее — иногда последний ингредиент добавляется, когда блюдо уже на огне. Таким ингредиентом для внешних планет стал поток вещества из молекулярного облака, впрыснутый в протопланетный диск спустя миллионы лет после начала аккреции.

С помощью телескопа Джеймс Уэбб астрономы заглянули в древний квазар — ослепительное сердце галактики, где гигантская чёрная дыра засасывает вещество. Оказалось, что она не просто разрушает, но и созидает: её мощные выбросы и ударные волны действуют как настоящая космическая мельница.

Сквозь рябь на воде камешки на дне бассейна кажутся сдвинутыми и искажёнными. Похожим образом гравитация невидимой тёмной материи искривляет свет далёких галактик — это явление называют слабым линзированием. Но рябь в бассейне живёт только на поверхности, а тёмная материя распределена в объёме, на разной глубине.

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.

Бросьте в пруд камень — пойдут круги. Нечто похожее происходит внутри компактных сгустков тёмной материи, когда они попадают в особую среду — скалярное поле. Это поле, пронизывающее всё вокруг, способно самопроизвольно усиливаться в недрах таких объектов, словно круги на воде становятся всё выше и заметнее.

Воздушный шарик сдувается не весь сразу: сначала на нём появляются вмятины, которые бегут, сливаются, и в конце шарик сморщивается в точку. Примерно так же ведут себя доменные стенки — тонкие перегородки, разделявшие пространство в первые мгновения после Большого взрыва.

В городском парке деревья растут быстрее, чем в глухом лесу. Не потому, что почва лучше, а потому, что здесь чаще сталкиваются ветвями и обмениваются семенами. Примерно так же ведут себя галактики в протоскоплении Паутина — огромном сгустке материи, который через миллиарды лет станет зрелым скоплением.

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.

Представьте слоистый коктейль: если его не мешать, тяжёлый сироп опускается на дно. Молодая планета в эпоху формирования напоминает бурлящий океан из раскалённого камня. При остывании в нём кристаллизуются минералы: одни, богатые железом, тяжелеют и тонут, другие остаются плавать ближе к поверхности. Логично предположить, что у ядра должен накапливаться плотный слой.

Толпа на городской площади ведёт себя по-разному в зависимости от того, держатся ли люди за руки. Если каждый лишь слегка касается соседа локтем, люди легко растекаются во все стороны — толпа расширяется ровным ковром. Но стоит им сцепиться пальцами, движение замедляется, и толпа разбивается на сгустки: где-то образуются плотные кучки, а между ними — пустые коридоры.

Гигантские скопления галактик — это города из тысяч звёздных островов, удерживаемые вместе гравитацией. Внутри них кипит горячий газ, который светится в рентгеновских лучах. Если скопление недавно столкнулось с другим, в нём появляются сгустки галактик и перекосы в газе — как рябь на воде после брошенного камня.

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.

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

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?

Каждая ракушка — это каменный дневник роста. Моллюск не строит её по чертежу, как архитектор, а просто добавляет материал по краю, следуя одному и тому же правилу. Как если бы улитка каждый день приклеивала к своему домику новую полоску, чуть-чуть сдвигая её в сторону и увеличивая размер. Именно это повторение, а не сложный контроль, и создаёт характерную форму вида.

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.

Тёмную материю никто не видел, но её притяжение чувствует каждая галактика. Чаще всего её представляют как море одинаковых молчаливых частиц. Новая работа рисует более живую картину: два сорта частиц, тяжёлый и лёгкий, и между ними идёт постоянный обмен.

В облаке тысячи крошечных капель воды висят в воздухе. Чтобы пошёл дождь, им нужно вырасти: слипнуться в большие капли и стать достаточно тяжёлыми, чтобы упасть на землю. Но как именно капли находят друг друга в огромном облаке? Учёные создали компьютерную модель, которая следит за каждой каплей отдельно — как будто у каждой есть свой маленький датчик.

Два скопления галактик столкнулись, как два роя пчёл, пролетевших друг сквозь друга. Одно из них — знаменитая «Пуля». После столкновения горячий газ, составляющий большую часть обычного вещества, затормозил и остался в центре, а галактики, как маленькие плотные камешки, пролетели дальше. Свет далёких объектов, проходя мимо, искривляется: это видно по искажённым изображениям.