კოსმოსური ქსელი: ძაფები, სიცარიელეები და ზესახეობები
Linas Juozėnasგაზიარება
როგორ იყრიან გალაქტიკები თავს უზარმაზარ სტრუქტურებად, რომლებსაც ბნელი მატერია და პირველადი ფლუქტუაციები ქმნის
ცალკეულ გალაქტიკებზე მეტი
ჩვენი ირმის ნახტომი მილიარდობით გალაქტიკიდან მხოლოდ ერთ-ერთია. თუმცა გალაქტიკები შემთხვევით არ მიმოიფანტებიან: ისინი იყრიან თავს სუპერგროვებში, ძაფებსა და ფენებში, რომლებიც ერთმანეთისგან გამოყოფილია უზარმაზარი სიცარიელეებით, სადაც მანათობელი მატერია თითქმის არ არის. ყველა ეს ფართომასშტაბიანი სტრუქტურა ქმნის ქსელს, რომელიც ასობით მილიონი სინათლის წლის მანძილზეა გადაჭიმული და ხშირად „კოსმოსურ ქსელს“ უწოდებენ. ეს რთული ქსელი უპირველესად ბნელი მატერიის ჩონჩხის წყალობით ყალიბდება, რომლის გრავიტაციული მიზიდულობა როგორც ბნელ, ისე ბარიონულ მატერიას კოსმოსურ „გზებსა“ და სიცარიელეებში აწყობს.
ბნელი მატერიის განაწილება, რომელიც განპირობებულია ადრეული სამყაროს თანდაყოლილი ფლუქტუაციებით (რომლებიც გაძლიერდა კოსმოსური გაფართოებისა და გრავიტაციული არამდგრადობის შედეგად), ქმნის გალაქტიკური ჰალოების ჩანასახებს. მოგვიანებით ამ ჰალოებში გალაქტიკები წარმოიქმნება. ამ სტრუქტურებზე დაკვირვება და მათი თეორიულ სიმულაციებთან შედარება თანამედროვე კოსმოლოგიის მთავარ საყრდენად იქცა და უდიდეს მასშტაბებზე ΛCDM მოდელს ადასტურებს. ქვემოთ მიმოხილულია, როგორ აღმოაჩინეს ეს სტრუქტურები, როგორ ვითარდება ისინი და როგორია კვლევის თანამედროვე მიმართულებები კოსმოსური ქსელის უფრო სრულად გასაგებად.
2. ისტორიული განვითარება და დაკვირვებების მიმოხილვა
2.1 გროვების ადრეული ნიშნები
გალაქტიკების პირველმა კატალოგებმა (მაგალითად, Shapley-ის დაკვირვებებმა უხვი გროვების შესახებ 1930-იან წლებში და მოგვიანებით წანაცვლების (redshift) მიმოხილვებმა, როგორიცაა CfA Survey 1980-იან და 1990-იან წლებში) აჩვენა, რომ გალაქტიკები მართლაც იყრიან თავს დიდ სტრუქტურებად, რომლებიც ცალკეულ გროვებსა თუ ჯგუფებზე ბევრად დიდია. სუპერგროვებმა, როგორიცაა კომის სუპერგროვა (Coma Supercluster), მიგვანიშნა, რომ ახლომდებარე სამყაროს ძაფისებრი განლაგება აქვს.
2.2 წანაცვლების (Redshift) მიმოხილვები: 2dF-ისა და SDSS-ის პიონერები
2dF Galaxy Redshift Survey (2dFGRS)-მა და მოგვიანებით Sloan Digital Sky Survey (SDSS)-მა მნიშვნელოვნად გააფართოვა გალაქტიკების რუკები ასობით ათას, მოგვიანებით კი მილიონობით ობიექტამდე. მათმა სამგანზომილებიანმა რუკებმა მკაფიოდ აჩვენა კოსმოსური ქსელი: გალაქტიკების გრძელი ძაფები, უზარმაზარი სიცარიელეები, სადაც გალაქტიკები თითქმის არ არის, და გადაკვეთის ადგილებში წარმოქმნილი მასიური სუპერგროვები. უდიდესი ძაფები შეიძლება ასობით მეგაპარსეკზე გადაიჭიმოს.
2.3 თანამედროვე ეპოქა: DESI, Euclid, Roman
მიმდინარე და მომავალი მიმოხილვები, როგორიცაა DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), Euclid (ESA) და Nancy Grace Roman კოსმოსური ტელესკოპი (NASA), კიდევ უფრო გააღრმავებს და გააფართოებს ამ წანაცვლების რუკებს, რომლებიც უფრო დიდი წანაცვლებების მქონე ათობით მილიონ გალაქტიკას მოიცავს. მათი მიზანია კოსმოსური ქსელის ევოლუციის შესწავლა ადრეული ეპოქებიდან და ბნელი მატერიის, ბნელი ენერგიისა და სტრუქტურების წარმოქმნის ურთიერთქმედების უფრო დეტალურად შეფასება.
3. Teoriniai pagrindai: gravitacinis nestabilumas ir tamsioji medžiaga
3.1 Pirminės fluktuacijos iš infliacijos
Ankstyvojoje Visatoje, infliacijos metu, kvantinės fluktuacijos virto klasikiniais tankio trikdžiais, apimančiais įvairaus masto diapazonus. Infliacijai pasibaigus, šie trikdžiai tapo kosminių struktūrų užuomazgomis. Kadangi tamsioji medžiaga yra šalta (anksti tampanti nereliatyvistine), ji gana greitai ėmė telktis, kai atsiskyrė nuo karštosios spinduliuotės aplinkos.
3.2 Nuo linijinio augimo prie nelinijinės struktūros
Visatai plečiantis, vietovės, kurių tankis buvo šiek tiek didesnis už vidutinį, gravitaciškai pritraukė vis daugiau materijos, todėl tankio kontrastas augo. Iš pradžių šis procesas buvo linijinis, tačiau kai kuriose srityse tapo nelinijinis, kol galiausiai šios sritys suiro į gravitacinius halus. Tuo tarpu mažesnio tankio sritys plėtėsi sparčiau ir formavo kosmines tuštumas. Kosminis tinklas susidaro dėl šios tarpusavio gravitacinės sąveikos: tamsioji medžiaga tampa karkasu, į kurį krinta barionai ir formuoja galaktikas.
3.3 N-kūnų simuliacijos
Šiuolaikinės N-kūnų simuliacijos (Millennium, Illustris, EAGLE ir kitos) seka milijardus tamsiajai medžiagai atstovaujančių dalelių. Jos patvirtina tinklinį pasiskirstymą – gijas, mazgus (spiečius) ir tuštumas – bei parodo, kaip galaktikos formuojasi tankiuose haluose, esančiuose tose mazgų sankirtose arba išilgai gijų. Šiose simuliacijose naudojamos pradinės sąlygos, gautos iš KFS (CMB) galios spektro, taip parodant, kaip mažos amplitudės fluktuacijos išauga iki šiandien matomų struktūrų.
4. Kosminio tinklo sandara: gijos, tuštumos ir superspiečiai
4.1 Gijos
Gijos – tai jungtys tarp masyvių spiečių „mazgų“. Jos gali driektis dešimtis ar net šimtus megaparsekų, jose aptinkama įvairių galaktikų spiečių, grupių ir tarpgalaktinių dujų. Kai kuriuose stebėjimuose matoma silpna rentgeno (X) arba vandenilio HI spinduliuotė, jungianti spiečius ir rodanti, kad juose yra dujų. Šios gijos yra tarsi magistralės, kuriomis materija dėl gravitacijos iš retesnių sričių juda link tankesnių mazgų.
4.2 Tuštumos
Tuštumos – tai didžiuliai, mažo tankio regionai, kuriuose aptinkama vos keletas galaktikų. Įprastai jų skersmuo siekia apie 10–50 Mpc, tačiau jos gali būti ir didesnės. Tuštumų viduje esančios galaktikos (jei tokių apskritai yra) dažnai būna labai izoliuotos. Tuštumos plečiasi šiek tiek sparčiau nei tankesnės sritys ir galimai daro įtaką galaktikų raidai. Apskaičiuota, kad ~80–90 % kosminės erdvės sudaro tuštumos, kuriose susitelkę vos ~10 % visų galaktikų. Šių tuštumų forma ir pasiskirstymas leidžia tikrinti tamsiosios energijos ir alternatyvių gravitacijos modelių hipotezes.
4.3 სუპერგროვები
სუპერგროვები უმეტესად სრულად გრავიტაციულად შეკრული არ არის, მაგრამ ისინი ქმნის დიდი მასშტაბის ჭარბ სიმკვრივეებს (overdensities), რომლებიც რამდენიმე გროვასა და ძაფს მოიცავს. მაგალითად, შაპლის სუპერგროვა ან ჰერკულესის სუპერგროვა ამ ტიპის უდიდეს ცნობილ წარმონაქმნებს შორისაა. ისინი განსაზღვრავს გალაქტიკათა გროვების ფართომასშტაბიან გარემოს, თუმცა კოსმოსური დროის განმავლობაში შესაძლოა ერთიან გრავიტაციულ წარმონაქმნად არ იქცეს. ჩვენი ადგილობრივი ჯგუფი (Local Group) ქალწულის (Virgo) სუპერგროვას ეკუთვნის, რომელსაც ლანიაკეასაც უწოდებენ - აქ თავმოყრილია ასობით გალაქტიკა, რომელთა ცენტრალური ნაწილია ქალწულის გროვა.
5. ბნელი მატერიის მნიშვნელობა კოსმოსურ ქსელში
5.1 კოსმოსური ჩარჩო
ბნელი მატერია, რომელიც არეჯახებადია (collisionless) და მატერიის უდიდეს ნაწილს შეადგენს, კვანძებსა და ძაფების გასწვრივ ჰალოებს აყალიბებს. ბარიონები, რომლებიც ელექტრომაგნიტურად ურთიერთქმედებენ, მოგვიანებით ამ ბნელი მატერიის ჰალოებში გალაქტიკებად კონდენსირდება. ბნელი მატერიის გარეშე მხოლოდ ბარიონები საკმარისად ადრე ძნელად წარმოქმნიდნენ მასიურ გრავიტაციულ ჭებს, რათა დღეს დაკვირვებული სტრუქტურები გაჩენილიყო. N-ნაწილაკოვანი სიმულაციები, რომლებშიც ბნელი მატერია ამოღებულია, აჩვენებს სრულიად განსხვავებულ განაწილებას, რომელიც რეალობას არ შეესაბამება.
5.2 დაკვირვებითი დადასტურება
სუსტი გრავიტაციული ლინზირება (ინგლ. cosmic shear) ცის დიდ უბნებში პირდაპირ ზომავს მასის განაწილებას, რომელიც ძაფისებრ სტრუქტურებს ემთხვევა. რენტგენული (X) და სუნიაევ-ზელდოვიჩის (SZ) ეფექტის დაკვირვებები გროვებში ავლენს ცხელი გაზის დაგროვებებს, რომლებიც ხშირად ბნელი მატერიის გრავიტაციულ პოტენციალებს შეესაბამება. ლინზირების, რენტგენული მონაცემებისა და გალაქტიკათა გროვების განლაგების ერთობლიობა ძლიერ უჭერს მხარს ბნელი მატერიის მნიშვნელობას კოსმოსურ ქსელში.
6. გავლენა გალაქტიკებისა და გროვების ფორმირებაზე
6.1 იერარქიული შერწყმა
სტრუქტურები იერარქიულად ყალიბდება: მცირე ჰალოები კოსმოსური დროის განმავლობაში უფრო დიდ ჰალოებად ერთიანდება. ძაფები გაზისა და ბნელი მატერიის უწყვეტ ნაკადს ქმნის გროვების კვანძებისკენ და მათ კიდევ უფრო ზრდის. სიმულაციები აჩვენებს, რომ ძაფებში მდებარე გალაქტიკებს მატერიის უფრო სწრაფი შემოდინება ახასიათებთ, რაც გავლენას ახდენს მათი ვარსკვლავთწარმოქმნის ისტორიასა და მორფოლოგიურ ცვლილებებზე.
6.2 გარემოს გავლენა გალაქტიკებზე
გალაქტიკები მკვრივ ძაფებში ან გროვების ცენტრებში განიცდიან წნევით მოწყვეტას (ram-pressure stripping), პოტენციურ მოქცევით დაშლას (tidal interactions) ან გაზის დეფიციტის პრობლემებს, რამაც შეიძლება მათი მორფოლოგიური ცვლილება გამოიწვიოს (მაგ., სპირალური გალაქტიკების ლენტურ გალაქტიკებად გარდაქმნა). ამასთან, სიცარიელეებში მდებარე გალაქტიკები შეიძლება გაზით მდიდარი დარჩნენ და უფრო აქტიურად წარმოქმნან ვარსკვლავები, რადგან მათ მეზობლებთან ურთიერთქმედება ნაკლებად უწევთ. ამგვარად, კოსმოსური ქსელის გარემო დიდ გავლენას ახდენს გალაქტიკების ევოლუციაზე.
7. მომავალი მიმოხილვები: ქსელის დეტალური რუკა
7.1 DESI, Euclid-ისა და Roman-ის პროექტები
DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) დაახლოებით 35 მილიონი გალაქტიკისა და კვაზარის წითელ წანაცვლებებს აგროვებს, რაც დაახლოებით z ~ 1–2-მდე კოსმოსური ქსელის 3D რუკების შედგენის საშუალებას იძლევა. ამავე დროს, Euclid (ESA) და Roman-ის კოსმოსური ტელესკოპი (NASA) მილიარდობით გალაქტიკის ულტრაფართო დაფარვის გამოსახულებებსა და სპექტროსკოპულ მონაცემებს მოგვაწვდის; შესაძლებელი გახდება ლინზირების, BAO-სა და სტრუქტურის ზრდის გაზომვა ბნელი ენერგიისა და კოსმოსური გეომეტრიის დასაზუსტებლად. ეს ახალი თაობის მიმოხილვები საშუალებას მოგვცემს, უპრეცედენტო სიზუსტით „მოვქსოვოთ“ ქსელის რუკა ~z = 2-მდე და სამყაროს კიდევ უფრო დიდი ნაწილი მოვიცვათ.
7.2 სპექტრული ხაზების რუკები
HI-ის ინტენსივობის რუკებმა (intensity mapping) ან CO-ს ხაზების რუკებმა შესაძლოა უფრო სწრაფად დააკვირდეს მსხვილმასშტაბიან სტრუქტურას წითელი წანაცვლების მიხედვით, თითოეული ცალკეული გალაქტიკის გამოსახვის გარეშეც. ეს მეთოდი აჩქარებს მიმოხილვებს და კოსმოსურ ეპოქებში მატერიის განაწილების შესახებ პირდაპირ ინფორმაციას გვაწვდის, რაც ბნელ მატერიასა და ბნელ ენერგიაზე ახალ შეზღუდვებს იძლევა.
7.3 ჯვარედინი კორელაციები და მრავალმესენჯერული (Multi-Messenger) მეთოდები
მონაცემების გაერთიანება სხვადასხვა კოსმოსური ინდიკატორიდან - კფს-ის ლინზირება, გალაქტიკების სუსტი ლინზირება, გალაქტიკათა გროვების რენტგენული კატალოგები, 21 სმ-იანი ინტენსივობის რუკები - საშუალებას მოგვცემს ზუსტად აღვადგინოთ სიმკვრივის სამგანზომილებიანი ველი, ძაფები და მატერიის დინების ველები. მეთოდების ასეთი კომბინაცია ხელს უწყობს გრავიტაციის კანონების შემოწმებას დიდ მასშტაბებზე და ΛCDM-ის პროგნოზების შედარებას მოდიფიცირებული გრავიტაციის შესაძლო მოდელებთან.
8. თეორიული კვლევები და პასუხგაუცემელი კითხვები
8.1 მცირე მასშტაბის შეუსაბამობები
მიუხედავად იმისა, რომ კოსმოსური ქსელი დიდ მასშტაბებზე კარგად შეესაბამება ΛCDM-ს, გარკვეულ მცირე მასშტაბის რეგიონებში შეუსაბამობები შეინიშნება:
- კუსპ-ბირთვის პრობლემა ჯუჯა გალაქტიკების ბრუნვის მრუდებში.
- დაკარგული თანამგზავრების პრობლემა: ირმის ნახტომის გარშემო უფრო ნაკლები ჯუჯა ჰალო გვხვდება, ვიდრე მარტივი სიმულაციებით არის ნავარაუდევი.
- თანამგზავრების სიბრტყის (plane of satellites) ფენომენი ან განაწილების სხვა შეუსაბამობები ზოგიერთ ადგილობრივ გალაქტიკურ ჯგუფში.
ეს შეიძლება ნიშნავდეს, რომ მნიშვნელოვანია ბარიონული უკუკავშირის პროცესები ან საჭიროა ახალი ფიზიკა (მაგ., თბილი ბნელი მატერია ან ურთიერთქმედი ბნელი მატერია), რომელიც სტრუქტურას Mpc-ზე მცირე მასშტაბებზე ცვლის.
8.2 ადრეული სამყაროს ფიზიკა
კოსმოსურ ქსელში დაკვირვებული რყევების პირველადი სპექტრი დაკავშირებულია ინფლაციასთან. ქსელის უფრო დიდ წანაცვლებებზე (z > 2–3) კვლევებმა შესაძლოა გამოავლინოს არაგაუსური რყევების ან ინფლაციის ალტერნატიული სცენარების დახვეწილი ნიშნები. ამასთან, რეიონიზაციის ეპოქის ძაფები და ბარიონების განაწილება დაკვირვებების კიდევ ერთი „ჰორიზონტია“ (მაგ., 21 სმ-იანი ტომოგრაფიის ან გალაქტიკების ღრმა მიმოხილვების მეშვეობით).
8.3 Gravitacijos Patikrinimas Dideliais Mastais
Teoriškai, nagrinėdami, kaip gijos formuojasi kosminiu laiku, galima patikrinti, ar gravitacija atitinka bendrąjį reliatyvumą (BR), ar tam tikromis sąlygomis pasireiškia nukrypimų didelio masto superspiečiuose. Dabartiniai duomenys palaiko standartinį gravitacijos augimą, bet detalesnis žemėlapis ateityje gali atskleisti menkus nukrypimus, svarbius f(R) ar „braneworld“ teorijoms.
9. Išvada
Kosminis tinklas – didžioji gijų, tuštumų ir superspiečių pynė – atskleidžia, kaip Visatos struktūra išsirutulioja iš tamsiosios medžiagos valdomo gravitacinio pirminių tankio fluktuacijų augimo. Atradus jį atlikus dideles poslinkio apžvalgas ir palyginus su patikimomis N-kūnų simuliacijomis, tampa akivaizdu, jog tamsioji medžiaga yra būtinas „karkasas“ galaktikų bei spiečių formavimuisi.
Galaktikos išsidėsto šiomis gijomis, atiteka į spiečių mazgus, o didelės tuštumos lieka vienais tuščiausių kosmoso plotų. Šiame šimtų megaparsekų mastu nusitęsiančiame išsidėstyme atsiskleidžia Visatos hierarchiško augimo bruožai, puikiai derantys su ΛCDM ir patvirtinti KFS anizotropijų bei visos kosminių stebėjimų grandinės. Dabartinės ir būsimų projektų apžvalgos leis dar detaliau „užčiuopti“ trimatį kosminio tinklo vaizdą, geriau suprasti Visatos struktūros raidą, tamsiosios medžiagos prigimtį bei patikrinti, ar standartiniai gravitacijos dėsniai galioja pačiuose didžiausiuose mastuose. Šis kosminis tinklas – tai grandiozinis, tarpusavyje susijęs motyvas ir paties kosminio kūrimo „pirštų atspaudas“ nuo pirmųjų akimirkų iki šių dienų.
Literatūra ir papildoma skaityba
- Gregory, S. A. ir Thompson, L. A. (1978). „Galaktikų superspiečiai.“ The Astrophysical Journal, 222, 784–796.
- de Lapparent, V., Geller, M. J. ir Huchra, J. P. (1986). „Visatos pjūvis.“ The Astrophysical Journal Letters, 302, L1–L5.
- Colless, M. ir kt. (2001). „2dF galaktikų raudonojo poslinkio apžvalga: spektrai ir raudonieji poslinkiai.“ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 328, 1039–1063.
- Tegmark, M. ir kt. (2004). „Kosmologiniai parametrai iš SDSS ir WMAP.“ Physical Review D, 69, 103501.
- Springel, V. ir kt. (2005). „Galaktikų ir kvazarų susidarymo, evoliucijos bei telkimosi modeliavimas.“ Nature, 435, 629–636.