При этом используются все диапазоны электромагнитного излучения – от радиоволн до высокоэнергетического гамма-излучения. Ведь каждый спектральный диапазон открывает свое собственное окно в космос. Суперкомпьютеры оценивают огромные объемы данных. Таким образом, космические явления всех видов могут быть изучены с беспрецедентной точностью. В 2015 году возможности исследования были дополнены еще одним, совершенно новым методом: теперь ученые могут измерять гравитационные волны и на Земле – и таким образом исследовать астрономические события, для которых ранее совсем не существовало методов измерения.

Виртуальное космическое пространство
Для составления крупнейшей и наиболее подробной на сегодняшний день модели Вселенной IllustrisTNG, исследователи «кормят» высокопроизводительный компьютер Hazel Hen в Штутгарте данными о начальном состоянии космоса. Затем суперкомпьютер рассчитывает эволюцию космоса за более чем 13 миллиардов лет. Для этого требуется 16 000 ядер процессора, которые работают круглосуточно в течение более чем года – в пересчете на один современный ПК это соответствует времени вычислений в 15 000 лет. В единственной в своем роде до сих пор форме и с высокой точностью модель демонстрирует исследователям крупномасштабные взаимосвязи во Вселенной, а также такие детали, как газовые потоки в галактиках.

Темная материя и темная энергия
Лишь очень небольшая часть Вселенной состоит из звезд, планет и других небесных тел, которые мы можем наблюдать. Остальное – а это все еще 95 процентов – это темная материя и темная энергия.

Темная материя не видима, но она дает о себе знать благодаря своей гравитации. Если бы темной материи не существовало, видимая материя в космосе должна была бы вести себя по-другому. Например, галактики, подобные нашему Млечному Пути, должны были бы разлететься в разные стороны. Темная энергия – это название эффекта, которым астрономы объясняют ускоренное расширение Вселенной. Из-за взаимного притяжения масс Вселенная должна была бы замедлиться в своем расширении. Но измерение дает обратный эффект: Вселенная расширяется все быстрее и быстрее! Это можно объяснить только в том случае, если Вселенная примерно на 70 процентов состоит из темной энергии.

Поиск частиц-призраков
Темная материя, которой в космическом пространстве в пять раз больше, чем «нормальной» материи, – это то, что мы не можем ни увидеть, ни измерить напрямую. Исследователи подозревают, что она состоит из ранее неизвестных элементарных частиц, которые лишь очень слабо взаимодействуют с видимой, «нормальной» материей. Они ищут эти частицы с помощью эксперимента по криогенному поиску редких событий с помощью сверхпроводящих термометров (CRESST, аббр. от англ. The Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers). Под горным массивом Гран-Сассо в Италии, находится подземная лаборатория с высокочувствительными детекторами, защищенная со всех сторон более чем 1400-метровой скалой. Все «нормальные» частицы, попадающие на Землю из космического пространства, перехватываются горной материей. «Темные» элементарные частицы, напротив, должны почти беспрепятственно проникать в камень. Фактические измерительные приборы представляют собой сверхчистые кристаллы вольфрамата кальция, охлажденные почти до -273 градусов Цельсия. Когда частица темной материи сталкивается с одним из кристаллов, температура повышается примерно на миллионную долю градуса. Эту минимальную разницу измеряет высокочувствительный термометр.
  Два исследователя оснащают детектор CRESST-эксперимента в подземной лаборатории Гран-Сассо. | © Астрид Экерт

Большой взрыв
Одной из величайших загадок науки является вопрос о происхождении Вселенной. Сегодня мы знаем, что Вселенная расширяется. Мы также знаем каким образом. С другой стороны материя и энергия бесконечно сгущаются. И именно там должно находиться начало нашей нынешней Вселенной – чисто математически 13,8 миллиарда лет назад. Но этот Большой взрыв не описывает взрыв в каком-либо пространстве. Согласно преобладающей сегодня теории, это начало пространства, времени и материи.

© Но как огромное количество материи и энергии, которое содержит космическое пространство, может быть сжато в такую крошечную точку? Для того, чтобы Большой взрыв – в том виде, в котором он описывается сегодня, – мог произойти, в самом начале должно и иметь место очень короткое, чрезвычайно быстрое расширение: инфляция, превышающая скорость света. Методы измерения, основанные на электромагнитном излучении, не могут исследовать эту область вблизи Большого взрыва – однако гравитационные волны могут.

Большой взрыв или сильный удар?
При Большом взрыве, согласно существующей теории, из ничего создаются пространство, время и материя. Благодаря сегодняшним знаниям все процессы можно рассчитать примерно с одной миллиардной доли секунды после Большого взрыва. Очень короткая, но чрезвычайно важная для понимания область непосредственно после «взрыва» все еще остается в темноте. На этом основано исследование Анны Иджас, молодого ученого из Института гравитационной физики Общества Макса Планка. Циклическая модель, над которой она работает, предполагает, что предыдущая Вселенная медленно сжалась примерно до 10-25 см, а затем снова расширилась. Исходя из этого Большой взрыв был, по всей вероятности, смягченным сильным ударом. Необходимой частью теории Большого взрыва, которую наука до сих пор не смогла объяснить, является инфляция – чрезвычайно быстрое расширение вскоре после «взрыва». Модель сильного удара не исходит из этого предположения.
  Что было перед Большим взрывом? Возможно, более ранняя Вселенная? | © Анна Иджас
Гравитационные волны
Альберт Эйнштейн снова прав: 14 сентября 2015 года впервые будут измерены гравитационные волны, спустя 100 лет после того, как он описал их в своей теории относительности. Однако что такое гравитационные волны? Согласно Эйнштейну, каждая масса оставляет вмятины в четырехмерном пространстве-времени. Если эти массы перемещаются, возникают волны. Эти волны распространяются в космосе со скоростью света и при этом искажают пространство.

В космосе постоянно возникают гравитационные волны. Однако на Земле их можно измерить только при очень быстром движении очень больших масс – например, при слиянии двух черных дыр. Именно это и будет измерено в сентябре 2015 года. Для этого требуются очень чувствительные измерительные приборы: два гигантских интерферометра, которые улавливают сигналы, расположены в США. Но большая часть высокоточной технологии в этих измерительных приборах и многие программы оценки родом из Германии – из Института гравитационной физики Общества Макса Планка в Потсдаме и Ганновере.
  Галактики
Галактики – это «острова миров» в бесконечном море космоса. Здесь собираются звезды, планетные системы, пылевые облака, газовые туманности и темная материя. Они удерживаются вместе под действием силы гравитации. Галактики имеют различную структуру – от простых эллипсов до очень сложных спиральных галактик с определенными «рукавами», как наш Млечный Путь. Несколько галактик в конечном итоге собираются вместе, образуя группы и скопления разных размеров. Самые крупные из этих скоплений галактик содержат несколько тысяч галактик.

Туманность Андромеда самая близко расположенная к нам галактика, размером примерно с Млечный Путь. Это самый удаленный астрономический объект, который мы можем увидеть с Земли невооруженным глазом.
  Галактика Андромеды Галактика Андромеды | © ESO/С. Брюнье
Сверхновая
Некоторые звезды умирают эффектной смертью: яркий взрыв массивной звезды в конце ее эволюции называется сверхновой. Это обозначение (nova = с латинского новая) восходит к Тихо Браге. В 1572 году датский астроном наблюдал внезапное появление очень-очень яркой звезды там, где раньше не было видно абсолютно ничего.

При взрыве сверхновой большая часть звезды превращается в энергию и излучается вся сразу. Остается только нейтронная звезда или черная дыра. Сверхновая особенно впечатляет, когда массивная так называемая звезда-гигант, например, красный гигант, израсходовала свою топливо. Она разрушается под действием собственной гравитации, высвобождая при этом огромное количество энергии. После этого сверхновая может некоторое время светить ярче, чем вся галактика, в которой она находится.