Вера Рубин

Чёрная дыра — область пространства-времени с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может её покинуть — похожа на волчок, который в вакууме вращался бы вечно. Но если вокруг неё сформируется облако из сверхлёгких бозонов — гипотетических частиц с целым спином, — картина меняется.

Представьте карусель: чем дальше от центра сидите, тем быстрее вас везёт. Долгое время считалось, что галактики устроены иначе — звёзды на окраинах должны вращаться медленнее, чем вблизи ядра. Однако ещё в 1970-х астрономы, измеряя доплеровское смещение спектральных линий, обнаружили: у многих спиральных галактик скорость звёзд почти не падает с удалением от центра.

Ночное небо подобно океану: чем дольше вглядываешься, тем больше замечаешь слабых огоньков в глубине. Именно так, всматриваясь в окраины Млечного Пути, астрономы обнаружили Aquarius IV — миниатюрную звёздную систему, до сих пор скрывавшуюся в темноте. Систему выявили на снимках, полученных в ходе раннего обзора будущей обсерватории имени Веры Рубин.

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.

Три невидимые струны колеблются в межгалактической пустоте. Это не поэзия, а гипотеза о природе тёмной материи — сверхлёгком квантовом поле со спином 1, несущем три поляризации.

Ночь на Ла-Пальме. 4,2-метровый телескоп Уильяма Гершеля нацелен на Венеру. В фокусе — экспериментальный поляриметр ExPo, созданный ловить призрачный свет экзопланет.

В центре многих галактик прячутся чёрные дыры — области с такой сильной гравитацией, что даже свет не может их покинуть. Вокруг них часто кружатся звёзды, и иногда одна из них — пульсар, космический маяк, посылающий строго периодичные радиоимпульсы.

Чёрная дыра — не просто тёмное пятно на небе. Её тень ложится на светящийся фон из падающего вещества и хранит отпечаток самой геометрии пространства. Если гравитация устроена хоть немного иначе, чем мы привыкли думать, тень это выдаст. В новой работе физики проследили за лучами света в окрестностях вращающейся чёрной дыры в так называемой гравитации Расталла.

В 460 световых годах от нас, вокруг звезды HD 135344B, кружит плотный газопылевой диск. Он похож на гигантскую грампластинку, которую кто-то надломил: в диске зияет разрыв, а через него, словно тонкий мост, тянется пылевая нить. Рядом с этой нитью в рассеянном свете заметна закрутка — изгиб спирального рукава, будто его на мгновение придержали, а потом отпустили.

Тёмная материя — невидимая субстанция, проявляющая себя лишь через гравитационное воздействие: она искривляет свет далёких галактик, подобно незримому окну, меняющему ход лучей.

Свет, проходя мимо чёрной дыры, закручивается, как вода вокруг сливного отверстия в ванной. Самое интересное — тонкое кольцо, где лучи могут кружить вечно, не падая внутрь и не улетая прочь. Это фотонная сфера — невидимая граница, которая рисует тень дыры на небе.

В центре нашего звёздного мегаполиса — Галактики — расположена сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A*. Вокруг неё по стремительной орбите движется звезда S2.

Галактика подобна космическому автобану, где звёзды-автомобили мчатся по круговым орбитам. Их скорость определяется невидимым «грузом» массы, заключённым внутри орбиты: чем массивнее центральная область, тем быстрее несутся звёзды на периферии.

Рукав звёздной реки огибает центр далёкой галактики, словно светящаяся лента на невидимой оправе. Эта оправа — тёмное гало: огромное облако невидимой тёмной материи, которое своим притяжением удерживает звёзды и газ. Если гало сплюснуто, как тыква, или вытянуто, как дыня, звёздный поток будет изгибаться по-разному.

Вселенная пронизана невидимой субстанцией — тёмной материей, чьё гравитационное влияние очевидно, но состав остаётся загадкой. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из сверхлёгких частиц, масса которых настолько мала, что они проявляют волновые свойства, образуя своего рода космическую рябь.

Канатоходец шагает по туго натянутому тросу. Каждый его шаг — поиск равновесия, мгновенный расчёт сил. Примерно так же уравнения Эйнштейна описывают, как материя и энергия заставляют пространство-время изгибаться. Но долгое время никто не мог доказать, что эти уравнения вообще имеют решение — что канатоходец способен сделать хотя бы первый шаг и не рухнуть.

Тёмная комната, в воздухе плавает пыль. Вспыхивает яркий фонарь — и пылинки загораются, выдавая своё место. Похожий приём астрономы применили к нашей Галактике. Фонарём послужили гамма-всплески — мощнейшие взрывы в далёких галактиках, а пылинками — облака межзвёздной пыли.

Свет, проходящий мимо массивного тела, огибает его, как поток машин объезжает глубокую воронку на дороге. Чем круче склоны воронки, тем сильнее заворачивает траекторию — и тем меньше остаётся прямых путей к наблюдателю. Так рождается тень чёрной дыры: область, откуда свет уже не может выбраться.

Раньше астрономы рассчитывали массу галактик, упрощая их форму до идеальных сфер. Но галактика — это не шар, а плоский диск, похожий на гигантский блин. Новая модель «Потерянное и найденное» учитывает эту реальную геометрию: она суммирует гравитационное притяжение от всех частей диска, а не только от центральной выпуклости (балджа).

Звёзды на окраинах галактик вращаются неожиданно быстро. Согласно ньютоновской механике, чем дальше от центра, тем медленнее должно быть движение — как в хороводе, где крайние участники идут тише. Но в реальности звёздные окраины несутся почти с той же скоростью, что и ядро, напоминая огромную карусель: на ней внешние лошадки проносятся быстрее, чтобы не отстать от внутренних.

Полвека астрономы бились над природой мощного рентгеновского излучения звезды гамма Кассиопеи — яркого маяка в созвездии, чьё сияние в рентгеновском диапазоне не вписывалось в модели одиночных светил. Подозревали невидимого спутника, но прямых доказательств не было.

Астрономы провели тестовые наблюдения на новом телескопе имени Веры Рубин, расположенном в Чили. Процесс напоминал настройку фокуса и диафрагмы на фотоаппарате: инженеры добивались чёткости изображения и правильной экспозиции. Первые же снимки охватили участок неба площадью в 60 полных Лун — и сразу выявили миллионы галактик и звёзд.

Галактика похожа на гигантскую карусель: звёзды и газ кружатся вокруг центра, и скорость их движения выдаёт, сколько всего вещества в этой карусели. Если бы мы видели только светящуюся материю, внешние части вращались бы медленнее, чем показывают наблюдения. Значит, есть невидимая масса — тёмная материя, которая держит галактику вместе.

В центре нашей Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, вокруг которой кружат звёзды. Их движение похоже на хоровод: одни носятся по вытянутым орбитам, другие — по почти круглым. Если рядом с чёрной дырой есть невидимое тёмное вещество, оно слегка искажает эти орбиты, как невидимая рука подталкивает звезду в сторону.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо в своем ядре, она теряет способность противостоять собственной гравитации и стремительно схлопывается, порождая вспышку сверхновой. За мгновение до этой катастрофы из коллапсирующего ядра вырываются нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом.

Тёмная материя — невидимая субстанция, проявляющая себя только через гравитационное влияние на движение звёзд и галактик. Впервые гипотезу о её существовании выдвинул Фриц Цвикки в 1930-х годах, а Вера Рубин позже подтвердила её реальность, измерив скорости вращения галактик.

Река из звёзд — не скопление, а именно вытянутая светящаяся лента — пересекает окраину далёкой галактики. Такой поток обнаружили в данных первого обзора обсерватории Веры Рубин. Он тянется вдоль малой оси галактики LEDA 751050, как шарф, развевающийся от галактического диска. Поток огромен: 130 на 15 килопарсек.

Три далёкие галактики кружатся, как гигантские карусели. Их звёзды и газ движутся по спиральным рукавам, и по скорости этого движения можно вычислить, сколько всего вещества в галактике — видимого и невидимого. Астрономы совместили два взгляда: радиотелескопы показали холодный газ, а космический телескоп Джеймса Уэбба — звёзды.

Тёмная материя — невидимый океан, который, как показали наблюдения Веры Рубин за скоростями звёзд на окраинах галактик, удерживает их от разлёта: гравитационное притяжение этого океана компенсирует центробежную силу.

Звёздный диск Млечного Пути — как яркая вертушка, а тёмное вещество — невидимая субстанция, проявляющая себя лишь гравитацией — образует невидимое облако вокруг. Впервые его форму точно измерили. Астрономы отследили движение миллионов звёзд и построили трёхмерную карту тёмного гало — протяжённой оболочки из тёмного вещества до расстояния 160 тысяч световых лет.

Свет далёкой галактики раздвоился, растроился, расчетверился — и в центре возник пятый призрак. Так выглядит HerS-3: молодая галактика, полная пыли и новорождённых звёзд, чей свет прошёл через гравитационную линзу — массивный объект, искривляющий лучи, как стекло лупы.

В звёздном пруду Млечного Пути кто-то бросил невидимый камень. Круги от него разошлись не по воде, а по движению звёзд: в области размером 200 на 50 парсек их средняя вертикальная скорость оказалась на 7 км/с ниже, чем у соседей. Отклонение статистически значимо на уровне 6σ, то есть случайностью его не объяснить.

9 октября 2022 года космос устроил представление, какого астрономы не видели за всю историю наблюдений. Гамма-всплеск GRB 221009A — мощнейший космический взрыв, дающий вспышку гамма-излучения, — ослепил детекторы на орбите и на Земле. Его назвали «самым ярким за всё время».

Галактика NGC 1560 — скромный остров из звёзд и газа в десяти миллионах световых лет от нас. Её кривая вращения, впервые измеренная в 1991 году, стала иконой для тех, кто ищет альтернативу тёмной материи. На графике скорости вращения от радиуса видны изгибы, которые, казалось бы, в точности повторяют изгибы в распределении обычного вещества.