космология сверхновых

Гамма-лучи — это самый энергичный свет во Вселенной, электромагнитное излучение с экстремально короткими длинами волн. Но одна их часть, средняя по силе, долго оставалась невидимой: приборы не могли её поймать, и в небе зиял пробел. Учёные называют его «пробелом МэВ» — по единице энергии, мегаэлектронвольту, которую эти лучи несут.

Вселенная постоянно шлёт нам сигналы, но многие из них слишком слабы, чтобы их заметить. Реликтовые нейтрино — частицы, оставшиеся от Большого взрыва, — проходят сквозь Землю миллиардами каждую секунду, но поймать хотя бы одно — задача на грани возможного. Нужен детектор, который почувствует энергию в тысячу раз меньше, чем нужно, чтобы сдвинуть пылинку.

Шесть бегунов мчатся по дорожке, и судьи замеряют их скорость, не замечая попутного ветра. Ветер дует всем в спину, и секундомеры показывают результат лучше истинного. Примерно так шесть мегамазеров — естественных космических лазеров в далёких галактиках — ввели в заблуждение астрономов, измерявших скорость расширения Вселенной.

Измерять расстояния во Вселенной — задача не из лёгких. Почти все способы опираются на свет, а он по дороге к нам может поглощаться пылью, рассеиваться или искажаться. Это всё равно что пытаться разглядеть далёкий маяк сквозь туман и дымку. Нейтрино — совсем другое дело. Эти частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом, проходят сквозь что угодно, не замечая преград.

Вселенная — это огромный тёмный океан. Мы видим лишь светящуюся пену на его поверхности — звёзды и галактики. А в глубине скрыты две невидимые стихии: тёмная материя — невидимое вещество, которое своей гравитацией не даёт галактикам разлететься, и тёмная энергия — загадочная субстанция, которая, наоборот, расталкивает само…

В 1998 году физики поймали нейтрино на удивительном: частица меняет свой тип на лету. Такое возможно, только если у неё есть масса. Это стало единственным лабораторным доказательством физики за пределами Стандартной модели. Но сколько именно весит нейтрино — до сих пор загадка.

Массивная звезда исчерпывает топливо — и её ядро схлопывается за доли секунды. Рождается сверхновая, а вместе с ней — короткий, но мощный ливень нейтрино. Эти частицы почти не взаимодействуют с веществом, поэтому свободно улетают, неся информацию о катастрофе.

Космология попала в интересную переделку. Два главных способа заглянуть в прошлое Вселенной — по раннему свечению (реликтовому излучению) и по более поздним объектам вроде сверхновых — выдают разные числа для скорости расширения (постоянной Хаббла) и для того, насколько комковато разбросано вещество.

Охотник за древним светом — телескоп Джеймс Уэбб — навёл свои зеркала на крошечный участок неба и засёк странный маячок. Объект с рабочим именем beacon_1420-$$5253_{4770}$$ вспыхнул и погас. Сначала его записали в кандидаты на самую далёкую галактику — будто бы мы видим её всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва.

В космологии назрела драма: два главных музыкальных инструмента — оркестр ранней Вселенной и камерный ансамбль современного космоса — исполняют одну симфонию расширения в разном темпе.

Космология похожа на оркестр, где разные группы инструментов вдруг начали играть вразнобой. Измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла) по ранней и поздней Вселенной дают разные числа. Другие наблюдения намекают на «отрицательную» массу нейтрино нейтронных звёзд — физический нонсенс.

Космологический оркестр настраивается не по одному камертону. Есть две группы инструментов: одни слушают гул молодого мироздания — реликтовое излучение, другие считывают ноты со зрелых галактик и сверхновых. Десятилетиями обе группы пытались сыграть унисон — определить, с какой скоростью разлетаются галактические архипелаги.

Вселенную можно представить как густой лес: вблизи мы различаем отдельные деревья-галактики, собранные в группы и скопления — своего рода рощи, но издалека всё сливается в сплошную зелень. Грань, за которой космос становится однородным, называют угловым масштабом однородности — это минимальный угловой размер участка неба, начиная с которого галактики распределены равномерно, без заметных сгущений.

Сверхновые типа Ia — финальные, ослепительные аккорды в симфонии звёздной эволюции: когда белый карлик переступает предел, предсказанный Чандрасекаром, он взрывается так ярко, что на миг затмевает целую галактику.

Космология — это музыка сфер, и постоянная Хаббла когда-то казалась нам надёжным метрономом. Но данные инструмента DESI, изучающего спектры миллионов галактик, намекают: дирижёр — тёмная энергия — сам меняет темп по ходу симфонии.

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.

Сжатая пружина лежит годами без движения. Кажется, она застыла навсегда, но внутри металла атомы медленно перестраиваются — и однажды пружина щелкает, переходя в новое, более свободное положение.

Воздушный шарик надувают. Сначала он раздувается быстро, потом медленнее, а потом вдруг — снова быстрее, словно кто-то подкачал насос. Именно это, похоже, происходит с нашей Вселенной. Астрономы из коллаборации Dark Energy Survey (DES) заглянули в прошлое космоса с помощью двух «линеек»: звуковых волн ранней Вселенной и взрывов сверхновых.

Нейтрино — самые распространённые частицы с массой во Вселенной. Эти «частицы-призраки» почти не взаимодействуют с веществом: триллионы проходят сквозь нас каждую секунду, не оставляя следа. Их совокупное гравитационное притяжение, хоть и чрезвычайно слабое, способно влиять на движение целых галактик.

Обычные детекторы тёмной материи похожи на футбольного вратаря, который ждёт мощного удара, а мяч еле катится. Частицы-невидимки, заполняющие нашу Галактику, часто движутся слишком медленно, чтобы их заметили чувствительные датчики.

Вселенная ведет учет каждому новорожденному светилу. За 13,8 миллиарда лет в галактиках зажглось столько звезд, что по их «переписи» можно судить о характере самого космоса — как по годовым кольцам дерева судят о климате прошлых лет.

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.

Космологи измерили, с какой скоростью разбегаются далёкие галактики в разных уголках неба. Для этого они взяли два вида «космических линеек»: скопления галактик и взрывы сверхновых определённого типа. Оба способа показали одно и то же: в одном направлении Вселенная расширяется чуть быстрее, чем в противоположном.

Сверхпузыри — это исполинские космические структуры, напоминающие мыльные пузыри, но вместо мыльной плёнки их оболочка состоит из разреженного межзвёздного газа, а «надувает» их не выдох, а последовательные взрывы сверхновых. В компьютерных симуляциях эти объекты ведут себя почти как живые: расширяются, остывают, перемещаются.

Когда массивная звезда взрывается, её остатки разлетаются в стороны, как осколки фейерверка. Но как понять, насколько далеко от нас произошёл такой взрыв? Астрономы нашли способ: они смотрят на облака газа, с которыми сталкиваются эти остатки. Идея проста. Вокруг остатков сверхновых часто есть облака холодного молекулярного газа.

Тёмную энергию считают врождённым свойством космоса, работающим с первых мгновений. Но новая модель предполагает, что она вела себя как вода на пороге кипения: долго оставалась незаметной, а в критический момент резко начала действовать.

Космические лучи — это заряженные частицы, которые непрерывно бомбардируют Землю из глубин космоса. Когда такая частица влетает в атмосферу, она сталкивается с ядрами воздуха и рождает целый каскад вторичных частиц: электроны, мюоны, фотоны. Этот каскад называют широким атмосферным ливнем, и он может растянуться на километры.

Далёкая галактика, где рождаются сотни звёзд, должна светиться кислородом. Так считали астрономы: горячие молодые звёзды нагревают газ, и тот испускает характерное инфракрасное свечение с длиной волны 63 микрона. Это как пар над кипящей кастрюлей — верный признак бурного процесса.

Свет от далёкой звезды летит к нам миллиарды лет, и за это время Вселенная успевает расшириться. Как проверить, что мы правильно понимаем этот путь?

Свет уличного фонаря, проходя сквозь жалюзи, мерцает: полоски движутся, и яркость то растёт, то падает. По этому ритму можно догадаться, насколько широк сам фонарь. Примерно так работает новый метод измерения звёзд: вместо того чтобы ловить чёткое изображение, астрономы следят за «мерцанием» света, собранного двумя или несколькими телескопами одновременно.

Когда далёкая звезда взрывается, её свет летит к нам миллиарды лет. Астрономы измеряют, насколько тусклой она выглядит, и по этому вычисляют расстояние. Обычно для этого используют сложные модели с тёмной энергией и другими загадками.

В холодных облаках межзвёздного газа углерод прячется в молекулах угарного газа (CO), как сахар, растворённый в чае. Но рядом с горячими массивными звёздами этот «чай» вскипает: жёсткое излучение разрывает молекулы, и углерод выходит наружу одиночными атомами или ионами.

Вселенная — это пирог, который готовят по одному рецепту, но чайная ложка и кухонные весы упорно показывают разное количество сахара. Так и с расширением Вселенной: измерения по близким звёздам (ложка) дают одно значение постоянной Хаббла, а по древнему свету Большого взрыва — реликтовому излучению (весы) — совсем другое.

Два метода измерения скорости расширения Вселенной дают противоречивую картину. Измерения по вспышкам сверхновых, выполненные командой Адама Рисса, показывают более быстрое расширение, чем данные по реликтовому излучению — свету, оставшемуся после Большого взрыва.

Сверхновые типа Ia — своего рода «стандартные свечи» космологии: их пиковая светимость практически одинакова, что позволяет определять расстояние по видимому блеску: чем тусклее объект, тем он дальше. Такие сверхновые служат маркерами для измерения дистанций до удалённых галактик.

Астрономы применяют сверхновые типа Ia — термоядерные взрывы белых карликов — в роли «стандартных свечей»: их пиковая светимость долгое время считалась одинаковой во всех уголках Вселенной.