Космология astro-ph.CO

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное расширение — инфляцию. Но, возможно, до этого она сжималась, а затем отскочила. Оба сценария оставляют почти одинаковый отпечаток в реликтовом излучении, и космологи десятилетиями спорят, какой из них верен.

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.

Два телескопа смотрят в одну Вселенную и видят разные скорости. Локальные измерения на сверхновых дают 73.04 ± 1.04 км/с/Мпк, а данные реликтового излучения в стандартной модели предсказывают 67.36 ± 0.54. Расхождение в 5.7σ не похоже на случайность — это напряжение Хаббла, трещина в фундаменте космологии.

В тёмной комнате ранней Вселенной вспыхнула первая искра. Через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, когда космос был заполнен лишь водородом и гелием, родились звёзды населения III — гиганты без металлов, чей свет впервые разорвал первозданную тьму.

В апреле 2023 года детекторы LIGO, Virgo и KAGRA поймали гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр. Массы — 137 и 103 солнечных — сделали событие GW231123 самым массивным в истории наблюдений. Обе дыры попали в «провал парной нестабильности» — диапазон, где обычная звёздная эволюция не должна оставлять чёрных дыр.

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.

В лабораториях на Земле конденсат Бозе — Эйнштейна получают, охлаждая облако атомов до миллиардных долей кельвина. Атомы теряют индивидуальность и сливаются в одну квантовую волну, которая ведёт себя как единое целое. Но в космосе такие условия не нужны: гравитация сама создаёт глубокие колодцы, где вещество сжимается и остывает до состояния квантового тумана.

Вселенная после Большого взрыва была почти идеально однородной. Почти — потому что крошечные неоднородности плотности, растянутые инфляцией, стали зародышами галактик. Но что, если эти же неоднородности могли рождать не только звёзды, но и чёрные дыры?

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.

Радиометр ARCADE2 на высотном аэростате зафиксировал избыточное радиоизлучение, а наземный эксперимент EDGES — аномально глубокий провал в спектре водорода на 21 см. Оба сигнала не вписываются в стандартную космологическую модель и указывают на неизвестный источник мягких фотонов.

Две чёрные дыры кружатся в тесном танце, и вокруг них рождается нечто удивительное — гравитационная молекула. Облако ультралёгких бозонов, частиц с массой меньше электронвольта, обволакивает пару, как электронное облако в ионе H2+. Только роль ядер играют чёрные дыры, а роль электрона — поле, размазанное на десятки километров.

Космологическое сообщество уже несколько лет живёт в состоянии тихой гражданской войны. Два лагеря меряют скорость расширения Вселенной и получают разные ответы. Планк, вглядываясь в реликтовое излучение, говорит: 67.4 км/с/Мпк. SH0ES, карабкаясь по лестнице расстояний от цефеид к сверхновым, настаивает: 73.2.

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.

В глубине криостата, под слоями сверхпроводящих катушек, лежит стопка из сотен полупроводниковых слоёв. Каждый слой толщиной в несколько нанометров: арсенид галлия, затем арсенид алюминия-галлия. Электроны внутри этих слоёв заперты в плоскости, как муравьи на листе бумаги.

Снежинка, падая из облака, выбирает между левой и правой формой. Разница между ними почти неощутима, как дуновение ветра, но именно оно решает, какой узор вырастет. В мире элементарных частиц такое дуновение создаёт слабое взаимодействие — единственная из четырёх фундаментальных сил, которая нарушает зеркальную симметрию.

Сто лет назад магнитные обсерватории записывали лишь медленные дыхания земного ядра. Сегодня их данные превращаются в охотничьи угодья для физики частиц. В обсерватории Эскдалемюр на севере Англии каждую сотую долю секунды фиксируются колебания магнитного поля. Десять лет таких записей — 9909 восьмичасовых сегментов — стали ловушкой для призрака: тёмного фотона.

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.

Три раздела физики — космология, физика частиц и ядерная физика — веками развивались как изолированные берега.

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.

Гамма-всплески — самые мощные взрывы во Вселенной: умирающая звезда схлопывается в чёрную дыру — область с гравитацией такой силы, что даже свет не может её покинуть, выбрасывая потоки энергии. Нередко это случается после вспышки сверхновой — взрывного финала жизни массивной звезды.

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

Ранняя Вселенная была далека от совершенства: одни её области растягивались быстрее других, создавая складки и перекосы в ткани пространства-времени. Однако квантовый отскок — переход от сжатия к расширению, вызванный законами микромира, — всё исправляет.

Вселенная — это грандиозная трасса, по которой галактики-автомобили разъезжаются всё быстрее. За педаль газа отвечает таинственная тёмная энергия — гипотетическая субстанция, вызывающая ускоренное расширение космоса.

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.

Вселенная заполнена невидимой массой — тёмной материей, которая проявляет себя только через гравитацию. Одна из гипотез предполагает, что тёмная материя состоит из первичных чёрных дыр — объектов, образовавшихся в экстремальных условиях сразу после Большого взрыва. Эти чёрные дыры могут иметь массу, сравнимую с астероидом, и размер меньше атомного ядра.

Телескоп Джеймс Уэбб собрал тысячи спектров далеких галактик — цветовых отпечатков их света, содержащих информацию о химическом составе и движении. Чтобы не утонуть в этом разнообразии, астрономы поручили программе рассортировать находки.

В первые мгновения после Большого взрыва во Вселенной могли формироваться объекты, непохожие на привычные нам светила, — тёмные звёзды.

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».

Быстрые радиовсплески — это яркие космические вспышки, которые, подобно стартовому сигналу, запускают гонку радиоволн через Вселенную. Астрономы использовали их как естественную лабораторию, чтобы проверить, обладает ли массой фотон — квант света, частица-переносчик электромагнитного взаимодействия.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую плазму, в которой существовали первичные чёрные дыры — объекты с массой, сравнимой с горой, сжатые до размера атома.

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.

Тёмная материя — невидимый каркас космоса, гравитационно удерживающий галактики и скопления. Её существование впервые заподозрил Фриц Цвикки, изучая скорости галактик в скоплении Волос Вероники, а позже убедительно подтвердила Вера Рубин, измеряя кривые вращения спиральных галактик.

В 1930-х годах Фриц Цвики, наблюдая за скоплением Волос Вероники, обратил внимание на аномально высокие скорости галактик: их движение указывало на присутствие огромной скрытой массы, гравитационно связывающей систему.

Наша Вселенная пребывает в состоянии ложного вакуума — это метастабильная конфигурация поля, подобная воде, удерживаемой плотиной. За этим барьером скрывается истинный вакуум — бездна с иными законами физики.

В привычном нам мире три пространственных измерения. Однако теоретическая физика допускает существование дополнительных, скрытых от прямого наблюдения направлений — компактифицированных, то есть свёрнутых до микроскопических размеров.

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.