Как галактики собираются в гигантские структуры, формируемые темной материей и первичными флуктуациями
Больше, чем отдельные галактики
Наш Млечный Путь — лишь одна из миллиардов галактик. Однако галактики не разбросаны случайно: они собираются в сверхскопления, волокна и плоскости, отделённые огромными пустотами, где почти нет светящейся материи. Все эти крупномасштабные структуры образуют сеть, простирающуюся на сотни миллионов световых лет, часто называемую «космической сетью». Эта сложная сеть формируется прежде всего благодаря каркасу из темной материи, чья гравитационная тяга организует как темную, так и барионную материю в космические «пути» и пустоты.
Распределение темной материи, обусловленное первичными флуктуациями ранней Вселенной (усиленными космическим расширением и гравитационной нестабильностью), создает зачатки галактических гало. В этих гало позже формируются галактики. Наблюдение этих структур и их сравнение с теоретическими симуляциями стало основой современной космологии, подтверждающей модель ΛCDM на крупнейших масштабах. Ниже рассматривается, как эти структуры были обнаружены, как они развиваются и какие современные исследовательские горизонты существуют для более глубокого понимания космической сети.
2. Историческое развитие и обзоры наблюдений
2.1 Ранние признаки скоплений
Первые каталоги галактик (например, наблюдения Шепли о богатых скоплениях в 40-х годах, последующие обзоры красного смещения, такие как CfA Survey в 80–90-х годах) показали, что галактики действительно собираются в крупные структуры, значительно превышающие отдельные скопления или группы. Сверхскопления, такие как сверхскопление Кома (Coma Supercluster), позволили предположить, что ближайшая Вселенная имеет волокнистое распределение.
2.2 Обзоры красного смещения: пионеры 2dF и SDSS
Обзор красного смещения галактик 2dF (2dFGRS) и позднее Sloan Digital Sky Survey (SDSS) значительно расширили карты галактик до сотен тысяч, а затем и миллионов объектов. Их трехмерные карты ясно показали космическую сеть: длинные волокна из галактик, огромные пустоты, где почти нет галактик, и массивные сверхскопления, формирующиеся на пересечениях. Самые большие волокна могут простираться на сотни мегапарсек.
2.3 Современная Эпоха: DESI, Euclid, Roman
Текущие и будущие обзоры, такие как DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), Euclid (ESA) и космический телескоп Nancy Grace Roman (NASA), ещё глубже и шире расширят эти карты смещения до десятков миллионов галактик с большими смещениями. Они стремятся изучить эволюцию космической сети с ранних эпох и детальнее оценить взаимодействие тёмной материи, тёмной энергии и формирования структур.
3. Теоретические Основы: Гравитационная Неустойчивость и Тёмная Материя
3.1 Первичные Флуктуации из Инфляции
В ранней Вселенной, во время инфляции, квантовые флуктуации превратились в классические возмущения плотности, охватывающие диапазоны различных масштабов. После окончания инфляции эти возмущения стали зачатками космических структур. Поскольку тёмная материя является холодной (ранне став нерелятивистской), она довольно быстро начала скапливаться, отделяясь от горячего излучения окружающей среды.
3.2 От Линейного Роста к Нелинейной Структуре
По мере расширения Вселенной области с плотностью немного выше средней гравитационно притягивали всё больше материи, и контраст плотности рос. Сначала этот процесс был линейным, но в некоторых областях он стал нелинейным, пока эти области не коллапсировали в гравитационные гало. Тем временем области с меньшей плотностью расширялись быстрее, формируя космические пустоты. Космическая сеть возникает из этого взаимного гравитационного взаимодействия: тёмная материя становится каркасом, на который оседают барионы, формируя галактики.
3.3 Многотельные Симуляции
Современные многотельные симуляции (Millennium, Illustris, EAGLE и другие) отслеживают миллиарды частиц, представляющих тёмную материю. Они подтверждают сетчатое распределение – нити, узлы (скопления) и пустоты – и показывают, как галактики формируются в плотных гало на пересечениях узлов или вдоль нитей. Эти симуляции используют начальные условия из спектра мощности КФС (CMB), демонстрируя, как малые амплитудные флуктуации выросли до видимых сегодня структур.
4. Структура Космической Сети: Нити, Пустоты и Суперскопления
4.1 Нити
Нити – это соединения между массивными узлами скоплений. Они могут простираться на десятки и даже сотни мегапарсек, в которых находятся различные скопления галактик, группы и межгалактический газ. В некоторых наблюдениях видны слабое рентгеновское (X) или водородное HI излучение, связывающее скопления и показывающее наличие газа. Эти нити подобны магистралям, по которым материя из разреженных областей движется к более плотным узлам под действием гравитации.
4.2 Пустоты
Пустоты – это огромные области с низкой плотностью, в которых почти нет галактик. Обычно они имеют диаметр около 10–50 Мпк, но могут быть и больше. Галактики, находящиеся внутри пустот (если они вообще есть), часто очень изолированы. Пустоты расширяются немного быстрее, чем более плотные области, возможно, влияя на эволюцию галактик. Оценивается, что ~80–90 % космического пространства занимают пустоты, в которых сосредоточено всего ~10 % всех галактик. Форма и распределение этих пустот позволяют проверять гипотезы о тёмной энергии или альтернативных моделях гравитации.
4.3 Сверхскопления
Сверхскопления обычно не полностью гравитационно связаны, но они образуют крупномасштабные избыточные плотности (overdensities), охватывающие несколько скоплений и волокон. Например, сверхскопление Шепли или сверхскопление Геркулес – одни из крупнейших известных образований такого типа. Они определяют крупномасштабную среду для галактических скоплений, но в космические промежутки времени могут не стать однородным гравитационным образованием. Наша местная группа (Local Group) принадлежит сверхскоплению Девы (Virgo), также называемому Ланиакеа – здесь сосредоточены сотни галактик, центральной частью которых является скопление Девы.
5. Значение тёмной материи в космической сети
5.1 Космический каркас
Тёмная материя, будучи несущей столкновений (collisionless) и составляя большую часть материи, формирует гало в узлах и вдоль волокон. Барионы, взаимодействующие электромагнитно, позже конденсируются в галактики в этих гало тёмной материи. Без тёмной материи одни барионы с трудом сформировали бы массивные гравитационные колодцы достаточно рано, чтобы появились наблюдаемые сегодня структуры. N-телесные симуляции, в которых тёмная материя удалена, показывают совершенно иное распределение, не соответствующее реальности.
5.2 Подтверждение наблюдениями
Слабое гравитационное линзирование (англ. cosmic shear) в больших областях неба напрямую измеряет распределение массы, которое совпадает с волокнистой структурой. Наблюдения рентгеновского (X) и эффекта Суньяева–Зельдовича (SZ) в скоплениях выявляют скопления горячего газа, часто совпадающие с гравитационными потенциалами тёмной материи. Сочетание данных линзирования, рентгена и распределения галактических скоплений сильно поддерживает важность тёмной материи в космической сети.
6. Влияние на формирование галактик и скоплений
6.1 Иерархическое слияние
Структуры формируются иерархически: меньшие гало сливаются в большие с течением космического времени. Волокна образуют постоянный поток газа и тёмной материи к узлам скоплений, ещё больше их увеличивая. Моделирование показывает, что галактикам, расположенным в волокнах, свойственно более быстрое поступление материи, что влияет на их историю звездообразования и морфологические преобразования.
6.2 Влияние окружения на галактики
Галактики в плотных нитях или центрах скоплений испытывают снятие газа давлением (ram-pressure stripping), потенциальные приливные разрушения (tidal interactions) или дефицит газа, что может приводить к их морфологическим изменениям (например, превращение спиралей в линзовидные галактики). В то же время галактики в пустотах могут оставаться богатыми газом и активнее формировать звёзды, так как у них меньше взаимодействий с соседями. Таким образом, среда космической сети сильно влияет на эволюцию галактик.
7. Будущие обзоры: подробная карта сети
7.1 Проекты DESI, Euclid, Roman
DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) собирает сдвиги примерно 35 миллионов галактик/квазаров, позволяя создавать 3D карты космической сети до примерно z ~ 1–2. Одновременно Euclid (ESA) и космический телескоп Roman (NASA) предоставят изображения с очень широким охватом и спектроскопические данные миллиардов галактик, позволят измерять линзирование, BAO и рост структуры для уточнения тёмной энергии и космической геометрии. Эти обзоры нового поколения позволят беспрецедентно точно «ткань» карту сети до ~z = 2, охватывая ещё большую часть Вселенной.
7.2 Карты спектральных линий
Карты интенсивности HI (intensity mapping) или карты линий CO позволяют быстрее наблюдать крупномасштабную структуру в пространственном сдвиге, не отображая каждую отдельную галактику. Этот метод ускоряет обзоры и даёт прямую информацию о распределении материи в космические эпохи, предоставляя новые ограничения на тёмную материю и тёмную энергию.
7.3 Перекрёстные корреляции и многоканальные (Multi-Messenger) методы
Сочетание данных из различных космических индикаторов – гравитационного линзирования КФС, слабого линзирования галактик, каталогов рентгеновских скоплений, 21 см карт интенсивности – позволит точно реконструировать трёхмерное поле плотности, нити и потоки материи. Такое сочетание методов помогает проверять законы гравитации на больших масштабах и сравнивать прогнозы ΛCDM с возможными моделями модифицированной гравитации.
8. Теоретические исследования и нерешённые вопросы
8.1 Мелкомасштабные несоответствия
Хотя космическая сеть в целом хорошо согласуется с ΛCDM, в некоторых мелкомасштабных областях наблюдаются несоответствия:
- Проблема cusp–core в кривых вращения карликовых галактик.
- Проблема недостающих спутников: вокруг Млечного Пути обнаруживается меньше карликовых гало, чем ожидалось по простым симуляциям.
- Явление плоскостей спутников (plane of satellites) или другие несоответствия расположения в некоторых локальных группах галактик.
Это может означать, что важны процессы обратной связи барионов или требуется новая физика (например, тёплая тёмная материя или взаимодействующая тёмная материя), которая изменяет структуру на масштабах меньше Mpc.
8.2 Физика ранней Вселенной
Первичный спектр флуктуаций, наблюдаемый в космической сети, связан с инфляцией. Исследования сети на больших смещениях (z > 2–3) могут выявить тонкие признаки негауссовых флуктуаций или альтернативных сценариев инфляции. Между тем, нити эпохи реионизации и распределение барионов — это ещё один «горизонт» наблюдений (например, через 21 см томографию или глубокие обзоры галактик).
8.3 Проверка гравитации на больших масштабах
Теоретически, изучая, как нити формируются во времени космоса, можно проверить, соответствует ли гравитация общей теории относительности (ОТО) или при определённых условиях проявляются отклонения на больших масштабах в сверхскоплениях. Текущие данные поддерживают стандартный рост гравитации, но более детальная карта в будущем может выявить небольшие отклонения, важные для теорий f(R) или «braneworld».
9. Заключение
Космическая сеть — большая плетение нитей, пустот и сверхскоплений — раскрывает, как структура Вселенной разворачивается из роста гравитационных первичных флуктуаций плотности, управляемых тёмной материей. Обнаруженная при проведении больших обзоров смещений и сопоставленная с надёжными N-тел симуляциями, становится очевидно, что тёмная материя является необходимым «каркасом» для формирования галактик и скоплений.
Галактические нити располагаются таким образом, что стекают в узлы скоплений, а большие пустоты остаются одними из самых пустых областей космоса. В этом расположении, простирающемся на сотни мегапарсек, проявляются черты иерархического роста Вселенной, прекрасно согласующиеся с ΛCDM и подтверждённые анизотропиями КФС и всей цепочкой космических наблюдений. Обзоры текущих и будущих проектов позволят ещё детальнее «поймать» трёхмерный образ космической сети, лучше понять эволюцию структуры Вселенной, природу тёмной материи и проверить, действуют ли стандартные законы гравитации на самых больших масштабах. Эта космическая сеть — грандиозный, взаимосвязанный мотив и «отпечаток пальцев» самого космического творения с первых мгновений до наших дней.
Литература и дополнительное чтение
- Gregory, S. A., & Thompson, L. A. (1978). «Сверхскопления галактик.» The Astrophysical Journal, 222, 784–796.
- de Lapparent, V., Geller, M. J., & Huchra, J. P. (1986). «Срез Вселенной.» The Astrophysical Journal Letters, 302, L1–L5.
- Colless, M., et al. (2001). «Обзор красного смещения галактик 2dF: спектры и красные смещения.» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 328, 1039–1063.
- Tegmark, M., et al. (2004). «Космологические параметры из SDSS и WMAP.» Physical Review D, 69, 103501.
- Спрингел, В., и др. (2005). «Моделирование формирования, эволюции и кластеризации галактик и квазаров.» Nature, 435, 629–636.