эффект Сюняева — Зельдовича

В июле 1969 года, когда «Аполлон-11» летел к Луне, астронавты заметили нечто необычное: короткие вспышки света, которые появлялись даже с закрытыми глазами. Сначала это списали на усталость, но вспышки повторялись у разных экипажей. Постепенно стало ясно: виноваты космические лучи — поток заряженных частиц, летящих сквозь космос с огромной скоростью.

Представьте бухгалтера, который пересчитал все заводы, склады и магазины, но баланс не сходится — половина товара будто испарилась. Примерно так астрономы десятилетиями искали обычное вещество в современной Вселенной. Звёзды, газ в галактиках, плазма в скоплениях — всё это вместе давало лишь часть того, что должно быть согласно ранним эпохам.

Горячий газ в скоплениях галактик светится в рентгеновском диапазоне, и значительная часть этого света исходит от атомов железа, потерявших много электронов — так называемых высокоионизованных ионов.

Свет от самого начала мироздания летит к нам 13,8 миллиарда лет. За это время его поляризация — направление колебаний электромагнитной волны — могла испытать поворот, словно стрелка компаса, которую незаметно подкрутили.

Спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что свет отделился от плазмы. Это реликтовое излучение до сих пор пронизывает космос — как первый аккорд симфонии, отзвук горячего начала.

Реликтовое излучение — не просто слабое свечение с температурой 2,7 К. Это фотография Вселенной спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда первичная плазма наконец стала прозрачной для света. Но для физиков-теоретиков гораздо интереснее то, что было ещё раньше.

Реликтовое излучение — окаменевший свет первых мгновений. Вскоре после Большого взрыва микроскопические квантовые флуктуации были растянуты инфляцией до масштабов галактических сверхскоплений. Эта рябь сегодня проступает в реликтовом фоне узором температурных пятен.

Самые первые мгновения жизни Вселенной напоминают настройку сложного музыкального инструмента. Квантовые флуктуации, растянутые стремительным раздуванием (инфляцией), стали теми «нотами», из которых позже сложились галактики. В новой работе физики рассмотрели необычный начальный аккорд — суперосциллирующее состояние.

Свет пробивается сквозь мятую плёнку — и выходит слегка иным. Примерно так же гравитационные волны, рождённые в ранней Вселенной, ощущают на себе комковатое распределение галактик и тёмной материи.

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.

Движущиеся сгустки галактик и невидимой тёмной материи — таинственной субстанции, проявляющей себя лишь через гравитацию — создают кильватерные волны в послесвечении Большого взрыва, подобно тому как лодки возмущают гладь пруда.

Оркестр из миллионов инструментов играет одну ноту, но каждый вступает в свой момент и со своей громкостью. Так звучит стохастический гравитационно-волновой фон — гул от неразличимых по отдельности слияний чёрных дыр. Долгое время считалось, что пары чёрных дыр кружатся почти по идеальным окружностям. Но орбиты могут быть и сильно сплюснутыми эллипсами.

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.

Детектор, заполненный сверхтекучим гелием-4, похож на идеально тихое озеро. Жидкость не плещется, не пузырится — она замерла в едином квантовом состоянии. Сквозь неё пролетает невидимый гость — частица тёмной материи. Сама она не светится и не оставляет следа. Но иногда задевает ядро атома гелия. Ядро получает слабый толчок и сдвигается.

Когда первые звёзды зажглись, их ультрафиолетовый свет начал отрывать электроны от атомов водорода. Вселенная из нейтрального тумана превращалась в прозрачную плазму.

Если взять два тяжёлых шара и разнести их на метр, они притянутся с силой, которая слабеет в четыре раза при удвоении расстояния. Этот закон открыл Ньютон, и он работает в комнате, в Солнечной системе, в галактике. Но сохраняется ли он, когда речь идёт о сотнях миллионов световых лет? Астрономы нашли способ проверить это напрямую.

В чилийской пустыне Атакама стоит телескоп, который смотрит не на звёзды, а на самый древний свет во Вселенной — космический микроволновый фон. Этот свет летел к нам почти 14 миллиардов лет, с тех пор как Вселенная стала прозрачной. По пути он проходил сквозь облака горячего газа вокруг галактик.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» разглядел древние галактики, внутри которых зреют чёрные дыры-переростки — они слишком массивны для столь юного возраста после Большого взрыва. Для обычного роста, когда чёрная дыра постепенно поглощает окружающее вещество и сливается с соседями, времени не хватило бы.

Когда два скопления галактик сталкиваются, в пространстве между ними рождаются ударные волны — как звуковой удар от сверхзвукового самолёта, только вместо воздуха — разреженный газ. Эти волны сжимают газ и разгоняют заряженные частицы до огромных энергий.

Пловец, рассекающий воду со скоростью бегущих по ней волн, оказывается в странном положении: волны, которые он сам же и порождает, не могут ни обогнать его, ни отстать. Они скапливаются у носа пловца и застывают. Похожее явление возникает, когда источник света движется внутри вещества со скоростью, совпадающей со скоростью переноса энергии волн.

Реликтовое излучение — это слабый свет, оставшийся после Большого взрыва. Оно равномерно заполняет небо, но на его пути встречаются препятствия. Одно из них — скопления галактик, внутри которых плещется очень горячий газ. Когда фотоны реликтового излучения проходят сквозь этот газ, часть из них получает дополнительный толчок и меняет энергию.

В скоплении галактик Волосы Вероники, на расстоянии около 320 миллионов световых лет от нас, раскинулось невидимое для глаза облако. Оно светится в радиодиапазоне — это радиоореол, гигантское скопление заряженных частиц, разогнанных почти до скорости света.

Вселенная похожа на океан, где волны разной длины накатывают на берег. Самые длинные волны — это гигантские неоднородности в распределении вещества, которые мы видим в реликтовом излучении. Стандартная теория говорит, что такие волны должны существовать на всех масштабах.

Свет от самого раннего этапа жизни Вселенной летит к нам миллиарды лет. По пути он проходит мимо огромных скоплений галактик. Их гравитация слегка искривляет этот свет — как стекло витрины меняет вид улицы за ним. Когда скопления растут, искривление становится заметнее. Этот эффект называют эффектом Риса-Скиамы.

В морозной пустыне Антарктиды телескоп SPT-3G смотрит вглубь Вселенной. Его цель — древнее микроволновое излучение, оставшееся после Большого взрыва. Но на пути к нам это излучение проходит сквозь гигантские скопления галактик, заполненные раскалённым газом. Газ слегка подогревает фотоны — и на карте неба появляются едва заметные пятна.

В галактиках Антенны, которые врезаются друг в друга, гигантские облака газа столкнулись на скорости 50 километров в секунду. Это как два поезда, несущиеся навстречу, — удар сжал газ, и он загорелся новыми звездами. Ученые направили на место столкновения радиотелескоп ALMA и увидели два облака, которые еще недавно были одним целым.

Чёрную дыру не видно, пока рядом не окажется звезда. Тогда приливные силы растягивают звезду, как повар раскатывает тесто, и часть вещества падает в дыру, вспыхивая напоследок. Такие события, называемые приливными разрушениями, — редкий шанс взвесить чёрную дыру, которая иначе осталась бы невидимой.

На Южном полюсе, где воздух сух и прозрачен для миллиметровых волн, стоит телескоп, который смотрит не на звёзды, а на самый древний свет во Вселенной. Этот свет — космический микроволновый фон, остывшее после Большого взрыва излучение, заполняющее всё небо.

В центре скопления галактик RXCJ1558.3-1410 кипит невидимая жизнь. Горячий газ там остывает, но что-то не даёт ему сжаться и родить новые звёзды. Астрономы навели на это скопление радиотелескоп и увидели слабое свечение — мини-гало. Оно раскинулось вокруг самой яркой галактики, как туман над ночным городом.

Космические нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом и свободно проходящие сквозь Землю. Телескоп IceCube, расположенный во льдах Антарктиды, однажды зарегистрировал такое нейтрино, и его траектория совпала с инфракрасной вспышкой.

Согласно теории Большого взрыва, которую развил Жорж Леметр, Вселенная начала расширяться из сверхплотного и горячего состояния. Затем, как предположил Алан Гут, она прошла через фазу экспоненциального раздувания — инфляцию.

Наше Солнце — мощнейший природный источник нейтрино, частиц-призраков, которые почти не взаимодействуют с веществом. Проходя сквозь плотное солнечное вещество, эти частицы испытывают осцилляции — меняют свой тип, или, на языке физиков, «аромат» (электронное, мюонное, тау-нейтрино). Представьте голос, проходящий сквозь толпу: чем плотнее окружение, тем сильнее искажение тембра.