XMM-Ньютон

Маяк на краю галактики мигает без расписания: то молчит годами, то за один день выдаёт сотни вспышек. За таким маяком нужен вахтенный, который не спит и не отвлекается. С 2008 года эту вахту несёт гамма-монитор Fermi GBM на орбите Земли, и его журнал только что пополнился самой полной записью за всю историю наблюдений.

Пульсар PSR J0614-3329 делает 318 оборотов в секунду. Точка на его экваторе летит со скоростью около 10% скорости света. Со стороны звезда выглядит как маяк, который вращается так быстро, что его луч сливается в сплошное кольцо. Но телескоп NICER на Международной космической станции ловит отдельные вспышки рентгеновского света и по их рисунку восстанавливает форму невидимого тела.

Ночной лес полон светлячков, но раньше мы видели только тех, кто случайно оказался в луче фонарика. Так было с ультраяркими рентгеновскими источниками — точками в других галактиках, светящими в рентгене ярче, чем может стабильно излучать чёрная дыра звёздной массы. Телескопы смотрели на галактики, выбранные для других целей, и пропускали большую часть светлячков.

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.

Скульптор лепит горы из магнитных полей и тепла, но камень сопротивляется. Нейтронная звезда — сверхплотный остаток взрыва сверхновой — в двойной системе перетягивает вещество с соседней звезды. Это падающее вещество нагревает кору звезды неравномерно, а магнитное поле тянет её изнутри.

Маяк вспыхивает не равномерно, а короткими яркими импульсами. Нейтронная звезда в системе 4U 1323-62 — такой маяк в рентгеновском диапазоне. Она стягивает газ с соседней звезды, и когда на её поверхности скапливается достаточно вещества, происходит термоядерный взрыв — рентгеновская вспышка.

Галактика Андромеды — наш ближайший крупный сосед, и у неё, как и у Млечного Пути, есть невидимая газовая шуба. Эта шуба из очень горячего, разреженного газа простирается на сотни тысяч световых лет. Увидеть её напрямую почти невозможно — газ слишком тусклый.

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.

Закипающее молоко покрывается дрожащей пенкой. По её движениям можно угадать силу огня под кастрюлей и жирность молока. Похожим образом астрофизики всматриваются в реликтовое излучение — древнейший микроволновый свет, дошедший до нас от эпохи, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет.

В далёкой галактике Сигара действует необычный маяк. Его излучение рождается не в привычном оптическом диапазоне, а в рентгеновском — внутри раскалённой короны вокруг чёрной дыры, поглощающей вещество звезды-компаньона.

В центрах многих галактик скрываются исполинские чёрные дыры. Их окружает плотное облако раскалённой плазмы, которое испускает мощное рентгеновское свечение.

Солнечные нейтрино — крошечные частицы, рождающиеся в недрах Солнца каждую секунду триллионами. Они проходят сквозь Землю, почти не замечая её, и долгое время считались абсолютно стабильными. Но, возможно, и они способны «стареть» — незаметно распадаться, исчезая по пути к нам. Проверить это взялись физики, работающие с детекторами тёмной материи.

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.

Глубоко под землёй, в тишине криостата (охлаждаемого контейнера), лежат кристаллы из свинца, который когда-то был частью древнеримского корабля. Этот материал почти не фонит — за две тысячи лет нестабильные изотопы в нём распались, и теперь он идеально чист для охоты на редчайшие события.

Невидимая рука тёмной материи сжимает галактики в объятия гравитации, но её природа ускользает уже почти век. Ещё Фриц Цвикки заподозрил скрытую массу в скоплениях, а Вера Рубин показала, что звёзды на окраинах кружатся слишком быстро — словно их подгоняет невидимый дирижёр.

Старая фотография, сделанная в момент рождения Вселенной, почти 14 миллиардов лет несёт к нам свой свет. Этот снимок — реликтовое излучение, остывшее эхо Большого взрыва. На нём запечатлены мельчайшие неоднородности, из которых позже выросли галактики.

История началась с недоумения: в 1930-х Фриц Цвикки заметил, что скопления галактик ведут себя так, будто в них спрятана огромная невидимая масса. Через полвека Вера Рубин подтвердила — звёзды на окраинах галактик вращаются слишком быстро, чтобы их удерживала лишь видимая материя.

Почти 12 миллиардов лет назад, когда Вселенная переживала бурный «космический полдень» — эпоху рекордного звездообразования, — в сердце одной из галактик разгорался квазар WISSH13.

Маяк вращается в густом тумане. Его луч пробивает мглу, но сам туман остаётся невидимым. Примерно так астрономы ищут тёмную материю: она не излучает свет, однако способна влиять на сигналы, которые до нас доходят.

Нейтронная звезда — это город величиной с Манхэттен, сжатый до такой плотности, что чайная ложка её вещества весит как гора Эверест. Чтобы понять, из чего она состоит внутри, учёные измеряют её радиус. Но есть загвоздка: многие измерения грешат систематическими ошибками — как если бы вы пытались определить рост человека, который постоянно вертится и наклоняется.

Крошечные невидимые пули прошивают Солнце насквозь, почти не замечая его вещества. Это аксионы — гипотетические частицы, настолько лёгкие и неуловимые, что их сравнивают с призраками.

Тёмная материя — невидимая субстанция, чья гравитация удерживает галактики от разлёта, — до сих пор ускользает от прямого наблюдения. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из аксионов — гипотетических очень лёгких частиц, предсказанных теорией.

В глубине Средиземного моря, где вода давит с силой сотен атмосфер, сеть светочувствительных шаров ждала редкого гостя. И он пришёл — нейтрино, которое пронесло через толщу Земли энергию, сравнимую с ударом летящего кирпича. Только вместо кирпича — крохотная частица, почти неосязаемая, но способная рассказать о самых бурных уголках космоса. Эту частицу назвали KM3-230213A.

В 1987 году астрономы увидели вспышку сверхновой в соседней галактике — Большом Магеллановом Облаке. Это был редкий подарок: взрыв произошёл достаточно близко, чтобы поймать не только свет, но и нейтрино (почти неуловимые частицы, проходящие сквозь Землю насквозь).

Когда вещество разогревают до миллионов градусов, оно превращается в плазму — смесь свободных электронов и ионов, похожую на кипящий суп из заряженных частиц. Заглянуть в такой «суп» обычным термометром нельзя, но можно просветить его рентгеновскими лучами.

Рентгеновский луч способен заглянуть внутрь непрозрачного куска металла и показать, где в нём спрятались трещины или напряжения. Но чтобы разглядеть такие дефекты, луч нужно собрать в очень узкий пучок — как солнечный свет собирают лупой в горячую точку. В рентгеновском микроскопе роль лупы играет линза.

Нейтронная звезда 4U 1735-44 заглатывает вещество соседней звезды. Вещество закручивается в плоский диск, как вода, уходящая в слив ванны. Но этот диск светится в рентгеновских лучах, и астрономы впервые смогли измерить, насколько эти лучи «причесаны» — то есть поляризованы. Три телескопа — IXPE, NICER и NuSTAR — смотрели на объект одновременно.

В самом сердце Млечного Пути что-то непрерывно светится в гамма-лучах. Свет этот особенный — с энергией ровно 511 тысяч электронвольт. Такая энергия появляется, когда электрон встречает свою античастицу, позитрон, и они вместе исчезают, оставив вспышку света.

Мощный прожектор светит сквозь густой туман. Самого луча не видно, но туман начинает слабо мерцать — и выдаёт присутствие прожектора. Похожий принцип работает с нейтрино: почти неуловимые частицы рождаются, когда быстрые протоны из далёких галактик врезаются в вездесущее реликтовое излучение (слабый микроволновый фон, оставшийся после…

В далёкой галактике, на расстоянии, которое свет преодолевает за 11 миллиардов лет, что-то вспыхнуло. Рентгеновский телескоп Einstein Probe заметил короткий, как укол иглы, всплеск — он длился всего несколько десятков секунд. Но самое интересное началось потом: через несколько дней в обычном, видимом свете объект снова плавно засиял ярче.

Галактика MCG+11-11-032 находится сравнительно недалеко от нас — свет от неё идёт около 150 миллионов лет. В её центре, как и в большинстве крупных галактик, сидит сверхмассивная чёрная дыра. Но несколько лет назад у астрономов возникло подозрение: а что если их там две? Повод дал рентгеновский спектр.

Когда вещество сжимают до давлений в миллионы атмосфер и нагревают до тысяч градусов, оно перестаёт быть ни твёрдым телом, ни газом. Это тёплое плотное состояние — как в недрах планет-гигантов или в момент удара метеорита.

Глубоко под Апеннинскими горами, в чане с тремя тоннами жидкого ксенона, раз в несколько дней что-то едва заметно вздрагивает. Это солнечное нейтрино — частица-призрак, рождённая в термоядерном пекле Солнца, — пролетела 150 миллионов километров сквозь пустоту и горную породу, чтобы наконец столкнуться с ядром ксенона.

После гибели массивной звезды происходит взрыв сверхновой — настолько мощный, что одна вспышка светит ярче целой галактики. В этом огне рождаются миллиарды аксионов — гипотетических частиц, которые почти не взаимодействуют с веществом и потому остаются невидимыми.

В тёмной шахте под итальянскими Альпами стоит бак с тремя тоннами жидкого ксенона. Когда в него попадает частица, она выбивает из атомов слабые вспышки света и облачка электронов. По этим следам физики надеются увидеть редчайший распад: ядро ксенона-136 превращается в барий-136, испуская два электрона и ни одного нейтрино.

Чёрная дыра MAXI J1810-222 ведёт себя как гигантский пылесос, но с обратным клапаном: она втягивает вещество, а часть его выбрасывает обратно в космос. Этот «обратный поток» — звёздный ветер — астрономы заметили ещё раньше, но видели его лишь как размытое пятно в рентгеновских лучах. Теперь на помощь пришёл спектрометр RGS на спутнике XMM-Newton.

Гигантская воронка в космосе засасывает газ из окружающего пространства. Часть этого газа не падает внутрь, а выбрасывается обратно — как брызги от бурлящей воды. Именно так ведёт себя ультраяркий рентгеновский источник NGC 5204 X-1: компактный объект (вероятно, чёрная дыра) поглощает материю так жадно, что избыток вырывается наружу мощными потоками.

Таможенник не может разобрать чемодан на части, чтобы узнать, что внутри. Он просвечивает его рентгеном и по теням на экране понимает: вот металл, вот органика. Примерно так же инспектор будущих договоров о ядерном разоружении должен проверять боеголовку — не открывая её и не видя секретной начинки. Нейтроны для такой проверки подходят лучше рентгена.

Кухонный таймер тикает раз в секунду. Нейтронная звезда SRGA J144459.2-604207 тикает 448 раз в секунду — это её собственное вращение, и оно слышно в рентгеновских вспышках. В 2024 году звезда проснулась и начала выбрасывать термоядерные взрывы на поверхности, как бурлящая кастрюля с кипящей водой.

В глубине итальянских Апеннин, под толщей горной породы, стоит кристалл, который ловит каждый распад радиоактивного америция. Америций испускает гамма-лучи с энергией 59,5 килоэлектронвольт — как очень резкий звонок, который звучит всегда одинаково.