Brian Schmidt

Каменная летопись, где каждый слой — страница, а спектральный анализ читает ритм строк. В соляной шахте Реальмонте на Сицилии геологи измерили толщину 120 трёхчастных циклов: миллиметровый прослой глины, тонкий слой ангидрита или полигалита, затем дециметровый пласт каменной соли.

Три планеты в системе Kepler-51 давно интриговали астрономов: по размерам они напоминают Сатурн, но их плотность ниже плотности воды. Эти «сверхпухлые» миры, с массами не более десяти земных, будто космические одуванчики — массивные, но почти невесомые. Их орбиты выстроены, как музыканты в оркестре, каждый играет свою партию, отбивая ритм транзитами.

Солнечная система совершает полный оборот вокруг центра Млечного Пути за 210 миллионов лет. В последний раз мы были на этой же стороне Галактики, когда по Земле бродили ранние динозавры. Эту цифру — 243.72 км/с — удалось уточнить благодаря редким звёздам, которые проносятся сквозь Галактику как пушечные ядра.

В кипящем бульоне новорождённой Вселенной все частицы теряли различия, как овощи при адской температуре. Восстановить тот простой рецепт — цель современной физики. Теория SO(10) — расширение Стандартной модели — предлагает такой рецепт. Она объединяет все силы и связывает массы любых частиц одной формулой.

Вселенная расширяется, и темп этого расширения задаёт тёмная энергия — загадочная сила, ускоряющая разбегание галактик. В стандартной космологической модели её плотность постоянна: космологическая постоянная, неизменный метроном с момента рождения мира.

Электрон вылетает из ядра трития с энергией 18,57 кэВ, оставляя после себя невидимого партнёра — нейтрино. Если у этого нейтрино есть доступ в пятое измерение, его масса расщепляется на целую башню состояний, и каждое из них отщипывает от спектра свой кусочек.

Телескоп ACT в чилийской пустыне Атакама всматривался в небо с 2007 по 2022 год. Его цель — реликтовое излучение, свет, который путешествует к нам 13,8 миллиарда лет. Этот свет поляризован: волны колеблются в определённых плоскостях, как струны, натянутые в разных направлениях. В идеально симметричной Вселенной эти плоскости оставались бы неизменными.

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.

Вселенная играет спектакль, и главная роль в нём отведена тёмной энергии. Долгое время казалось, что актёр неизменен: космологическая постоянная (энергия вакуума, ускоряющая расширение Вселенной) задавала один и тот же тон.

Галактика NGC 3627, спиральная красавица в созвездии Льва, хранит след, который не вписывается ни в один стандартный сценарий. Узкая полоса холодного газа — молекулярный след — тянется более чем на 8 килопарсек (тысяч парсек, примерно 3260 световых лет каждая) при ширине около 200 парсек. Это как нить длиной с футбольное поле и толщиной с карандаш.

Астрономы обнаружили во Вселенной объект-невидимку массой всего около миллиона солнечных масс — по космическим меркам это ничтожно мало, примерно в сто раз легче всего, что ранее удавалось «взвесить» на сопоставимых расстояниях. Сам объект не излучает света, но проявил себя через эффект гравитационного линзирования: он искривил свет ещё более далёкой галактики.

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.

Ещё в 1970-х Вера Рубин, изучая кривые вращения галактик, обнаружила, что звёзды на их окраинах движутся слишком быстро — словно их удерживает невидимая паутина, не дающая разлететься. Ещё раньше, в 1930-х, Фриц Цвикки, анализируя движение галактик в скоплении Кома, первым заподозрил существование огромной скрытой массы.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной, проявляющий себя лишь через гравитацию. Вера Рубин, изучая вращение галактик, обнаружила, что звёзды на периферии движутся слишком быстро — так, словно их удерживает незримая масса.

Частицы тёмной материи — таинственной субстанции, не испускающей и не поглощающей свет, — могут проявлять свойства, напоминающие патоку. В одной теоретической модели они движутся свободно, не взаимодействуя друг с другом; в другой — испытывают слабые столкновения, порождая своеобразную вязкость.

Когда Эдвин Хаббл открыл расширение Вселенной, а Вера Рубин — тёмную материю, каркас космологии казался прочным. Но телескоп JWST заглянул в такую древность, что увидел галактики-тяжеловесы там, где по расчётам должны быть лишь «саженцы».

Предсказанные Вольфгангом Паули и названные Энрико Ферми, нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом. Внутри умирающих гигантов — сверхновых — и сливающихся нейтронных звёзд их рождается немыслимое множество.

Исследователи описали новый тип невидимой звезды, ведущей себя как дышащая гравитационная линза. Такая звезда состоит из сверхлёгких скалярных бозонов — гипотетических частиц, которые пока не обнаружены экспериментально.

Представьте скоростную автостраду: равномерный поток машин вдруг сбивается в пробку из-за случайных замедлений — кто-то притормозил, и волна уплотнения пошла назад. В молодой Вселенной общее расширение после Большого взрыва напоминало такое же упорядоченное движение: галактики разлетались, подчиняясь глобальному хаббловскому потоку.

Чёрная дыра не просто поглощает материю — она, подобно гигантскому космическому водовороту, искривляет саму ткань пространства-времени, заставляя лучи света огибать себя и собираясь в фокус.

Когда облако атомов охлаждают до сверхнизких температур, они способны входить в единое квантовое состояние, действуя как согласованный ансамбль. Если в таком облаке рождается нейтрино — почти не взаимодействующая с веществом частица-призрак, — оно обычно ускользает незаметно.

Данные обзора галактик DESI намекают: тёмная энергия — таинственная субстанция, вызывающая ускоренное расширение Вселенной — в прошлом была мощнее, чем сегодня. Такое «фантомное» поведение, когда плотность энергии со временем растёт, грозит Вселенной Большим разрывом — финалом, где даже атомы распадутся под действием нарастающего отталкивания.

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.

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.

После Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую, плотную среду. В сгустках тёмной материи — загадочного невидимого вещества, проявляющего себя исключительно через гравитацию, — частицы, сталкиваясь, аннигилировали, то есть исчезали, преобразуясь в мощное излучение.

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.

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.

Вселенная расширяется, и каждое скопление галактик участвует в грандиозном космическом танце. Темп этого танца задаёт постоянная Хаббла — ключевая величина, описывающая скорость расширения.

Телескоп Джеймс Уэбб зафиксировал в ранней Вселенной необычные объекты — «красные точки», компактные образования размером в десятки световых лет. Спектральный анализ их излучения выявил характерный цвет водорода, однако в рентгеновском диапазоне эти объекты практически неразличимы.

В холодной тьме межзвёздного пространства дрейфуют миллионы планет-изгоев — миров, не связанных гравитацией ни с одной звездой. Обнаружить их напрямую почти невозможно: они не излучают собственного света и не подсвечены родительским солнцем.

В огромном спектрометре в Карлсруэ, похожем на гигантскую металлическую бочку, ловят частицы, которые почти невозможно поймать. Нейтрино — призраки микромира: каждую секунду сквозь ваше тело пролетают триллионы этих частиц, и вы этого не замечаете. Но у них есть масса, и учёные хотят её измерить. Для этого в KATRIN используют радиоактивный газ тритий.

Без невидимого каркаса из тёмной материи галактики разлетелись бы на части под действием центробежных сил. Астроном Вера Рубин ещё в 1970-х, измеряя скорости вращения звёзд в галактиках, доказала: они движутся так, словно их удерживает огромная незримая масса, распределённая далеко за пределами видимого диска.

Масса искривляет пространство-время, подобно тому как тяжёлый камень продавливает асфальтовую дорогу. Свет, проходя вблизи массивного тела, огибает эту вмятину — область искривлённого пространства-времени, — его путь удлиняется, и он прибывает с опозданием.

Солнце своей гравитацией создаёт невидимый «бокал», в котором тёмная материя особого сорта — ультралёгкая — не плещется хаотично, а занимает строгие энергетические ступени, будто прозрачные слои жидкости разной плотности.

Слияние чёрных дыр порождает гравитационную волну — рябь пространства-времени. Иногда на её пути оказывается галактика или сгусток тёмной материи — загадочной субстанции, предсказанной Фрицем Цвикки и подтверждённой наблюдениями Веры Рубин по вращению…

Стенка мочевого пузыря — не резиновый шарик. Когда орган опорожняется, его поверхность идёт складками, как скомканная бумага, и в разных местах натяжение разное. Раньше, чтобы это измерить, на ткань наносили крапинки-метки. Но краска сама по себе меняет поведение живой ткани — как лишний слой скотча на воздушном шаре. Новый способ обходится без краски.

Загадку тёмной материи — таинственной субстанции, проявляющей себя лишь через гравитацию, — изучали ещё пионеры космологии Фриц Цвикки и Вера Рубин. Долгое время её представляли холодным, безвольным каркасом, который только стягивает галактики, словно невидимый скульптор, задающий форму космической паутине.

В центре многих галактик скрывается чёрная дыра — объект, предсказанный в решениях уравнений Карла Шварцшильда. Вокруг неё простирается раскалённая корона — область разреженной плазмы, разогретой до миллиардов градусов.

Анализируя цветовые метки — соотношение яркости в разных спектральных диапазонах на снимках космического телескопа «Джеймс Уэбб», астрономы выявили галактики, свет которых резко обрывается в ультрафиолетовой области.

В крошечных галактиках-спутниках звёзды на периферии вращаются быстрее, чем позволяет видимая материя. Словно на ткани пространства проступает узор, для которого не хватает нитей.