Galaktikų spiečiai ir kosminis tinklas

Скопления галактик и космическая сеть

Филаменты, «плоскости» и огромные области пустот, простирающиеся на гигантских масштабах — это отражение ранних плотностных семян

Наблюдая ночное небо, миллиарды звёзд, которые мы видим, в основном принадлежат нашему Млечному Пути. Однако за пределами нашей галактики открывается ещё более широкий вид — космическая сеть — гигантская «ткань» галактических скоплений, нитей и пустот, простирающаяся на сотни миллионов световых лет. Эта крупномасштабная структура возникла из крошечных флуктуаций плотности в ранней Вселенной, которые со временем усилились под действием гравитации.

В этой статье мы обсудим, как формируются галактические скопления, как они вписываются в космическую сеть из нитей и «плоскостей», а также природу огромных пустот между ними. Понимая распределение материи на самых больших масштабах, мы раскрываем основные аспекты эволюции и структуры Вселенной.

1. Возникновение крупномасштабных структур

1.1 От первичных флуктуаций к космической сети

Вскоре после Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной. Крошечные квантовые флуктуации, возможно возникшие во время инфляции, создали небольшие области с избыточной и недостаточной плотностью в почти равномерно распределённом веществе и излучении. Позже тёмная материя начала концентрироваться в этих избыточных областях; по мере расширения и охлаждения Вселенной барионная материя (обычная) погружалась в «гравитационные колодцы» тёмной материи, подчёркивая различия в плотности.

Так образовалась известная нам космическая сеть:

  • Филаменты: длинные узкие нити из галактик и групп галактик, протянувшиеся вдоль «позвоночника» тёмной материи.
  • Плоскости («Walls»): двумерные структуры, расположенные между нитями.
  • Пустоты: огромные области с низкой плотностью, где мало галактик; занимают большую часть объёма Вселенной.

1.2 Система ΛCDM

Наиболее приемлемая космологическая модель ΛCDM (Лямбда холодная тёмная материя) утверждает, что тёмная энергия (Λ) отвечает за ускорение расширения Вселенной, а нерелятивистская (холодная) тёмная материя доминирует в формировании структур. В этом сценарии структуры формируются иерархически — меньшие гало объединяются в большие, образуя крупномасштабные структуры, досягаемые нам. Распределение галактик на этих масштабах тесно совпадает с результатами современных космических симуляций, подтверждая прогнозы ΛCDM.

2. Галактические скопления: гиганты космической сети

2.1 Определение и свойства

Галактические скопления – самые массивные гравитационно связанные структуры Вселенной, обычно содержащие сотни или даже тысячи галактик на несколько мегапарсек. Основные характеристики:

  1. Много тёмной материи: ~80–90 % массы скопления составляет тёмная материя.
  2. Горячая внутрикластерная среда (ICM): наблюдения рентгеновского излучения показывают огромные количества горячего газа (107–108 K), заполняющего пространство между галактиками.
  3. Гравитационная связность: Достаточно общей массы, чтобы члены оставались связанными, несмотря на расширение Вселенной, поэтому скопление – это своего рода «замкнутая система» на космических временных масштабах.

2.2 Формирование через иерархический рост

Скопления растут, аккрецируя меньшие группы и сталкиваясь с другими скоплениями. Этот процесс продолжается и в современную эпоху. Поскольку скопления формируются в узлах космической сети (где пересекаются нитевидные структуры), они становятся «городами» Вселенной, а окружающие ответвления (филаменты) поставляют им материю и галактики.

2.3 Методы наблюдения

Существует несколько способов, которыми астрономы обнаруживают и изучают скопления галактик:

  • Оптические обзоры: В крупных исследованиях красного смещения, таких как SDSS, DES или DESI, ищут крупные скопления галактик.
  • Рентгеновские наблюдения: Горячий межскопленный газ излучает интенсивные рентгеновские лучи, поэтому миссии Chandra и XMM-Newton особенно важны для обнаружения скоплений.
  • Гравитационное линзирование: Огромная масса скопления искривляет свет фоновых объектов, предоставляя независимый способ определения общей массы скопления.

Скопления действуют как важные космические лаборатории – измеряя их количество и распределение в разные эпохи, можно получить фундаментальные параметры космологии (например, амплитуду флуктуаций плотности σ8, плотность материи Ωm и свойства тёмной энергии).

3. Космическая сеть: филаменты, «плоскости» и пустоты

3.1 Филаменты: магистрали материи

Филаменты – вытянутые, напоминающие верёвки образования из тёмной материи и барионов, направляющие движение галактик и газа к центрам скоплений. Их длина может варьироваться от нескольких до десятков или сотен мегапарсек. Вдоль этих нитей меньшие группы галактик и скопления «висят» словно «бусины на нитке», где в узлах масса ещё более уплотняется.

  • Контраст плотности: В филаментах плотность превышает космическое среднее в несколько или десятки раз, хотя они и не так плотны, как скопления.
  • Поток газа и галактик: Гравитация заставляет газы и галактики двигаться вдоль нитей к массивным узлам (скоплениям).

3.2 «Плоскости» или «Walls»

Плоскости (или «Walls»), расположенные между филаментами, представляют собой крупномасштабные двумерные структуры. Некоторые наблюдаемые случаи, например Great Wall, простираются на сотни мегапарсек. Хотя они не такие узкие или плотные, как филаменты, они соединяют области между более редкими нитями и пустотами.

3.3 Пустоты: космические «кавитационные» регионы

Пустоты – огромные, почти пустые пространства, в которых количество галактик значительно меньше по сравнению с филаментами или скоплениями. Их размер может достигать десятков мегапарсек, занимая большую часть объема Вселенной, но при этом составляя лишь небольшую часть массы.

  • Структура в пустотах: Пустоты не абсолютно пусты. Там также существуют карликовые галактики или мелкие нити, однако плотность может быть примерно в 5–10 раз ниже средней.
  • Значение для космологии: Пустоты чувствительны к природе тёмной энергии, альтернативным моделям гравитации и мелкомасштабным флуктуациям плотности. В последнее время пустоты стали новым фронтом для проверки отклонений от стандартной ΛCDM.

4. Доказательства, подтверждающие космическую сеть

4.1 Опросы красного смещения галактик

Крупномасштабные опросы красного смещения, проведённые в конце 70-х и начале 80-х годов (например, CfA Redshift Survey), выявили скопления галактик «Великие стены» и пустые области, ныне называемые пустотами. Современные более масштабные программы, такие как 2dFGRS, SDSS, DESI, исследовали миллионы галактик, не оставляя сомнений, что их распределение соответствует сетевому рисунку, созданному космическими симуляциями.

4.2 Космический микроволновой фон (КМФ)

Исследования КМФ анизотропий (Planck, WMAP и предыдущие миссии) подтверждают начальные свойства флуктуаций. Когда эти флуктуации развиваются вперёд во времени в симуляциях, они вырастают в структуру космической сети. Высокая точность измерений КМФ позволяет определить природу плотностных семян, формирующих крупномасштабную структуру.

4.3 Гравитационное линзирование и слабое линзирование

Исследования слабого гравитационного линзирования отслеживают незначительные искажения формы фоновых галактик, вызванные промежуточной материей. CFHTLenS, KiDS и другие проекты показали, что масса распределена по тому же сетевому рисунку, который задаёт расположение галактик, ещё больше подтверждая, что тёмная материя на больших масштабах распределяется подобно барионам.

5. Теоретические и симуляционные подходы

5.1 N-тельные симуляции

В N-тельных симуляциях тёмной материи естественно проявляется «каркас» космической сети, где миллиарды частиц гравитационно коллапсируют, формируя гало и нити. Основные акценты:

  • Появление «сети»: Нити соединяют плотные регионы (скопления, группы), отражая гравитационную динамику потоков из внешних областей.
  • Пустоты: Образуются в слабо плотных регионах, где потоки вещества отталкивают материю, ещё больше подчёркивая пустоты.

5.2 Гидродинамика и формирование галактик

Добавление гидродинамики (физика газа, звездообразование, обратная связь) к N-телам позволяет лучше видеть, как галактики распределяются в космической сети:

  • Поток газов по нитям: Во многих симуляциях холодный газ течёт по нитям к формирующимся галактикам, стимулируя звездообразование.
  • Влияние обратной связи: Выбросы сверхновых и активных ядер галактик могут нарушать или нагревать входящий газ, изменяя локальную структуру сети.

5.3 Оставшиеся проблемы

  • Вопросы малого масштаба: Такие явления, как «core-cusp» и «too-big-to-fail», показывают несоответствия между предсказаниями ΛCDM и наблюдениями некоторых местных галактик.
  • Космические пустоты: Подробное моделирование динамики пустот и меньших структур внутри них остаётся областью интенсивных исследований.

6. Эволюция космической сети во времени

6.1 Ранний период: большие красные смещения

Сразу после реионизации (z ∼ 6–10) космическая сеть ещё не была так ярко выражена, но всё равно видна по распределению мелких гало и зарождающихся галактик. Нити могли быть уже, реже, но они всё равно направляли потоки газа к центрам протогалактик.

6.2 Созревающая сеть: промежуточные красные смещения

При z ∼ 1–3 нитевые структуры уже гораздо ярче, питая быстро звездообразующие галактики. Скопления быстро формируются, соединяясь в всё более массивные образования.

6.3 Современный период: узлы и расширение пустот

Сегодня мы видим зрелые скопления как узлы сети, в то время как пустоты значительно расширились под воздействием тёмной энергии. Многие галактики находятся в плотных нитях или окружениях скоплений, но некоторые остаются изолированными в глубинах пустот, эволюционируя по очень разным путям.

7. Скопления галактик как космологические маркеры

Потому что скопления галактик — самые массивные связанные структуры, их количество в разные эпохи Вселенной очень чувствительно к:

  1. Плотности тёмной материи (Ωm): Большее количество материи означает более интенсивное формирование скоплений.
  2. Амплитуде флуктуаций плотности (σ8): Более сильные флуктуации приводят к более быстрому появлению массивных гало.
  3. Тёмной энергии: Она влияет на темп роста структур. Если во Вселенной больше тёмной энергии, скопления формируются медленнее в более поздние эпохи.

Таким образом, данные наблюдений скоплений галактик, т.е. их количество, масса (измеряемая рентгеновским излучением, гравитационным линзированием или эффектом Суньяева–Зельдовича) и эволюция с красным смещением позволяют определить надёжные космологические параметры.

8. Космическая сеть и эволюция галактик

8.1 Условия окружения

Окружение космической сети сильно влияет на эволюцию галактик:

  • В центрах скоплений: Большая разница скоростей, срыв давления газа (ram pressure) и слияния часто подавляют звездообразование, поэтому там много крупных эллиптических галактик.
  • «Питание» из нитей: Спиральные галактики могут продолжать активно формировать звёзды, если постоянно получают новый газ из филаментов.
  • Галактики пустот: изолированные, с более медленным развитием, дольше сохраняющие газы и продолжающие звездообразование в космическом будущем.

8.2 Химическое обогащение

Галактики, формирующиеся в плотных узлах, испытывают множество вспышек звёздообразования и обратных связей, выбрасывая металлы в межзвёздную среду или нити. Даже галактики в пустотах немного обогащаются за счёт спорадических выбросов или космических потоков, хотя и медленнее, чем в более плотных регионах.

9. Будущие направления и наблюдения

9.1 Новое поколение крупных обзоров

LSST, Euclid и космический телескоп Нэнси Грейс Роман исследуют миллиарды галактик, предоставляя чрезвычайно точное 3D-изображение космической ткани. Улучшенные данные по гравитационному линзированию позволят ещё чётче определить распределение тёмной материи.

9.2 Наблюдения глубоких нитей и пустот

Обнаружение «тёплой–горячей межгалактической среды (WHIM)» в нитях всё ещё вызывает трудности. Будущие рентгеновские миссии (например, Athena) и улучшенная спектроскопия в УФ или рентгеновском диапазоне могут выявить туманность газовых мостов между галактиками, в конечном итоге показывая «пропавшие барионы» в космической сети.

9.3 Точная космология пустот

Развивается также область космологии пустот, направленная на использование свойств пустот (распределения размеров, форм, потоков скоростей) для проверки альтернативных теорий гравитации, моделей тёмной энергии и других вариантов, отличных от ΛCDM.

10. Заключение

Скопления галактик, видимые в узлах космической сети, а также нити, «пластины» и пустоты, расположенные между ними, образуют основную «конструкцию» Вселенной на самых больших масштабах. Эти структуры возникли из слабых флуктуаций плотности в ранней Вселенной, усиливавшихся под воздействием гравитации тёмной материи и расширения, вызванного тёмной энергией.

Сегодня мы видим динамичную космическую сеть, полную гигантских скоплений, переплетённых нитей с множеством галактик и обширных, почти пустых пространств. Эти огромные «конструкции» не только отражают важность гравитационных законов на межгалактическом масштабе, но и являются ключевыми для проверки космологических моделей и нашего понимания того, как галактики развиваются в самых плотных или самых редких местах Вселенной.

Ссылки и дополнительное чтение

  1. Bond, J. R., Kofman, L., & Pogosyan, D. (1996). «Как нити вплетаются в космическую паутину.» Nature, 380, 603–606.
  2. de Lapparent, V., Geller, M. J., & Huchra, J. P. (1986). «Срез Вселенной.» The Astrophysical Journal Letters, 302, L1–L5.
  3. Спрингел, В., и др. (2005). «Моделирование формирования, эволюции и кластеризации галактик и квазаров.» Nature, 435, 629–636.
  4. Cautun, M., et al. (2014). «Холодная тёмная материя в космической паутине.» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 441, 2923–2944.
  5. Van de Weygaert, R., & Platen, E. (2011). «Космические пустоты: структура, динамика и галактики.» International Journal of Modern Physics: Conference Series, 1, 41–66.
Вернуться в блог