Galaktikų spiečiai ir kosminis tinklas

Скупчення галактик і космічна мережа

Філаменти, «пласти» та величезні порожні області, що простягаються на гігантських масштабах, – це відображення ранніх насінин щільності

Спостерігаючи нічне небо, мільярди зірок, які ми бачимо, зазвичай належать нашій Чумацькій Дорозі. Але за межами нашої галактики відкривається ще ширший вигляд – космічна мережа – гігантська «тканина» галактичних скупчень, ниток і порожніх просторів, що простягається на сотні мільйонів світлових років. Ця великомасштабна структура виникла з крихітних флуктуацій щільності в ранньому Всесвіті, які з часом збільшила гравітація.

У цій статті ми розглянемо, як формуються галактичні скупчення, як вони вписуються у космічну мережу з ниток і «пластів», а також природу величезних порожнеч між ними. Розуміючи розподіл матерії на найбільших масштабах, ми відкриваємо основні аспекти еволюції та структури Всесвіту.

1. Формування великомасштабних структур

1.1 Від первинних флуктуацій до космічної мережі

Незабаром після Великого вибуху Всесвіт був надзвичайно гарячим і густим. Крихітні квантові флуктуації, можливо, виниклі під час інфляції, створили незначні над- і підгусті області у майже однорідно розподіленій речовині та випромінюванні. Згодом темна матерія почала збиратися в цих надлишкових регіонах; із розширенням і охолодженням Всесвіту баріонна матерія (звичайна) занурюється у «гравітаційні колодязі» темної матерії, підкреслюючи різниці в щільності.

Так утворилася нині відома нам космічна мережа:

  • Філаменти: Довгі, вузькі нитки галактик і груп галактик, що простягаються вздовж «хребтів» темної матерії.
  • Пласти («Walls»): Двовимірні структури, розташовані між нитками.
  • Порожнечі: Величезні області з низькою щільністю, де мало галактик; займають більшу частину об’єму Всесвіту.

1.2 Система ΛCDM

Найприйнятніша космологічна модель ΛCDM (Лямбда холодна темна матерія) стверджує, що темна енергія (Λ) визначає прискорення розширення Всесвіту, а нерелятивістська (холодна) темна матерія домінує у формуванні структур. За цією моделлю структури формуються ієрархічно — менші гало об’єднуються у більші, утворюючи великомасштабні структури, які ми спостерігаємо. Розташування галактик на цих масштабах тісно збігається з результатами сучасних космічних симуляцій, підтверджуючи прогнози ΛCDM.

2. Галактичні скупчення: гіганти космічної мережі

2.1 Визначення та властивості

Галактичні скупчення – найбільш масивні гравітаційно зв’язані структури Всесвіту, які зазвичай містять сотні або навіть тисячі галактик на кілька мегапарсек. Основні характеристики:

  1. Багато темної матерії: ~80–90 % маси скупчення становить темна матерія.
  2. Гаряче міжгалактичне середовище (ICM): Спостереження рентгенівського випромінювання показують величезні обсяги гарячого газу (107–108 K), що заповнює простір між галактиками.
  3. Гравітаційне зв’язування: Достатньо загальної маси, щоб члени залишалися пов’язаними, незважаючи на розширення Всесвіту, тому скупчення – це свого роду «замкнена система» на космічних часових масштабах.

2.2 Формування через ієрархічне зростання

Скупчення ростуть, акреціюючи менші групи та зіштовхуючись з іншими скупченнями. Це триває й у сучасну епоху. Оскільки скупчення формуються у вузлах космічної мережі (де перетинаються ниткоподібні структури), вони стають «містами» Всесвіту, а навколишні філаменти постачають їм матерію та галактики.

2.3 Методи спостереження

Існує кілька способів, якими астрономи виявляють і досліджують скупчення галактик:

  • Оптичні огляди: У великих дослідженнях червоного зсуву, таких як SDSS, DES чи DESI, шукають великі скупчення галактик.
  • Рентгенівські спостереження: Гарячий міжскупчений газ випромінює інтенсивні рентгенівські промені, тому місії Chandra та XMM-Newton особливо важливі для виявлення скупчень.
  • Гравітаційне лінзування: Величезна маса скупчення викривляє світло фонових об'єктів, надаючи незалежний спосіб визначення загальної маси скупчення.

Скупчення діють як важливі космічні лабораторії – вимірюючи їх кількість і розподіл у різні періоди, можна отримати фундаментальні параметри космології (наприклад, амплітуду флуктуацій густини σ8, густину матерії Ωm та властивості темної енергії).

3. Космічна мережа: філаменти, «пласти» та порожнечі

3.1 Філаменти: магістралі матерії

Філаменти – подовжені, схожі на нитки утворення темної матерії та баріонів, які спрямовують рух галактик і газу до центрів скупчень. Вони можуть сягати від кількох до десятків чи сотень мегапарсек. Вздовж цих ниток менші групи галактик і скупчення «висять», наче «намистинки на нитці», де на перехрестях маса ще більше ущільнюється.

  • Контраст густини: У філаментах густина перевищує космічне середнє в кілька або десятки разів, хоча вони й не такі щільні, як скупчення.
  • Потік газу та галактик: Гравітація змушує гази та галактики рухатися вздовж ниток до масивних вузлів (скупчень).

3.2 «Пласти» або «Walls»

Пласти (або «Walls»), що розташовані між філаментами, є масштабними двовимірними структурами. Деякі спостережувані випадки, наприклад Great Wall, простягаються на сотні мегапарсек. Хоч вони й не такі вузькі чи щільні, як філаменти, вони з'єднують області між рідшими нитками та порожнечами.

3.3 Порожнечі: космічні «кавитаційні» регіони

Порожнечі – величезні, майже порожні простори, в яких кількість галактик значно менша порівняно з філаментами чи скупченнями. Їхній розмір може сягати десятків мегапарсек, займаючи більшість об'єму Всесвіту, але містячи лише невелику частку маси.

  • Структура в порожнечах: Порожнечі не є абсолютно порожніми. Там також існують карликові галактики або дрібні нитки, але щільність може бути приблизно у 5–10 разів меншою за середню.
  • Значення для космології: Порожнечі чутливі до природи темної енергії, альтернативних моделей гравітації та дрібномасштабних флуктуацій щільності. Останнім часом порожнечі стали новим фронтом для перевірки відхилень від стандартної ΛCDM.

4. Докази, що підтверджують космічну мережу

4.1 Опитування червоного зсуву галактик

Великомасштабні опитування червоного зсуву, проведені наприкінці 70-х і на початку 90-х років (наприклад, CfA Redshift Survey), виявили скупчення галактик «Великі стіни» та порожні області, які тепер називають порожнечами. Сучасні програми більшого масштабу, такі як 2dFGRS, SDSS, DESI, дослідили мільйони галактик, не залишаючи сумнівів, що їх розподіл відповідає малюнку мережі, створеному космічними симуляціями.

4.2 Космічний мікрохвильовий фон (КМФ)

Дослідження КМФ анізотропій (Planck, WMAP та попередні місії) підтверджують початкові властивості флуктуацій. Коли ці флуктуації розвиваються вперед у часі в симуляціях, вони формують малюнок космічної мережі. Висока точність вимірювань КМФ дозволяє визначити природу насінин щільності, що визначають велику структуру.

4.3 Гравітаційне лінзування та слабке лінзування

Дослідження слабкого лінзування відстежують незначні спотворення форми фонових галактик, спричинені проміжною матерією. CFHTLenS, KiDS та інші проекти показали, що маса розподіляється за тим самим малюнком мережі, який формує розташування галактик, ще більше підтверджуючи, що темна матерія на великих масштабах розподіляється подібно до баріонів.

5. Теоретичні та симуляційні підходи

5.1 N-тельні симуляції

Симуляції N-тельної темної матерії природно виявляють «скелет» космічної мережі, де мільярди частинок гравітаційно колапсують, формуючи гало та нитки. Основні акценти:

  • Виникнення «мережі»: Нитки з’єднують через щільні регіони (скупчення, групи), відображаючи гравітаційну динаміку потоків із зовнішніх областей.
  • Порожнечі: Формуються у малоденних регіонах, де потоки речовини відштовхують матерію, ще більше підкреслюючи порожнечі.

5.2 Гідродинаміка та формування галактик

Додавши гідродинаміку (фізика газу, зоряна активність, зворотні зв’язки) до N-тельних кодів, краще видно, як галактики розподіляються у космічній мережі:

  • Філаментний газовий потік: У багатьох симуляціях холодний газ тече нитками до формуючихся галактик, стимулюючи зоряну активність.
  • Вплив зворотного зв’язку: Викиди наднових та AGN можуть порушувати або нагрівати газ, що вливається, змінюючи локальну структуру мережі.

5.3 Залишкові проблеми

  • Питання малого масштабу: Такі явища, як ядро-край («core-cusp») або «too-big-to-fail», вказують на невідповідності між прогнозами ΛCDM і спостереженнями деяких місцевих галактик.
  • Космічні порожнини: Детальне моделювання динаміки порожнин і менших структур у них залишається активною сферою досліджень.

6. Еволюція космічної мережі в часі

6.1 Ранній період: великі червоні зсуви

Одразу після реіонізації (z ∼ 6–10) космічна мережа ще не була такою яскравою, але все одно помітною з розподілу дрібних гало та зародкових галактик. Нитки могли бути вужчими, рідшими, але вони все одно спрямовували потоки газу до центрів протогалактик.

6.2 Зріюча мережа: проміжні червоні зсуви

Приблизно при z ∼ 1–3 ниткові структури вже набагато яскравіші, живлять швидкозоретворні галактики. Скупчення швидко формуються, з’єднуючись у все більш масивні утворення.

6.3 Поточний період: вузли та розширення порожнин

Сьогодні ми бачимо зрілі скупчення як вузли мережі, тоді як порожнини значно розширилися під впливом темної енергії. Багато галактик знаходяться в густих нитках або середовищах скупчень, але деякі залишаються ізольованими в глибинах порожнин, еволюціонуючи дуже різними шляхами.

7. Скупчення галактик як космологічні маркери

Адже скупчення галактик — це найбільш масивні зв’язані структури, їхня кількість у різні періоди Всесвіту дуже чутлива:

  1. Густині темної матерії (Ωm): Більше матерії означає інтенсивніше формування скупчень.
  2. Амплітуді флуктуацій густини (σ8): Сильніші флуктуації призводять до швидшої появи масивних гало.
  3. Темній енергії: Вона впливає на темп росту структур. Якщо у Всесвіті більше темної енергії, скупчення формуються повільніше у пізніший час.

Отже, дані спостережень скупчень галактик, тобто їх кількість, маса (вимірювана рентгенівським випромінюванням, лінзуванням або ефектом Sunyaev–Zel’dovich) та еволюція з червоним зсувом дозволяють визначити надійні космологічні параметри.

8. Космічна мережа та еволюція галактик

8.1 Умови середовища

Середовище космічної мережі сильно впливає на еволюцію галактик:

  • У центрах скупчень: Велика різниця швидкостей, здирання газового тиску (ram pressure) і злиття часто гасить зоретворення, тому там багато великих еліптичних галактик.
  • «Живлення» з ниток: Спіральні галактики можуть і надалі активно формувати зорі, якщо постійно отримують новий газ із філаментів.
  • Галактики порожнеч: ізольовані, повільнішого розвитку, довше зберігають гази та продовжують зореутворення у космічному майбутньому.

8.2 Хімічне збагачення

Галактики, що формуються у густих вузлах, зазнають численних спалахів зореутворення та зворотних зв’язків, викидаючи метали у міжскупчеву середу або нитки. Навіть галактики у порожнечах трохи збагачуються через спорадичні викиди чи космічні потоки, хоча й повільніше, ніж у густіших регіонах.

9. Майбутні напрямки та спостереження

9.1 Опитування нового покоління великого масштабу

LSST, Euclid та Космічний телескоп Ненсі Грейс Роман досліджуватимуть мільярди галактик, забезпечуючи надзвичайно точне 3D-зображення космічної тканини. Покращені дані гравітаційного лінзування дозволять ще чіткіше визначити розподіл темної матерії.

9.2 Спостереження глибоких ниток і порожнеч

Детекція «тепло-холодної міжгалактичної середовища (WHIM)» у нитках досі викликає труднощі. Майбутні рентгенівські місії (наприклад, Athena) та вдосконалена спектроскопія в УФ чи рентгенівському діапазоні можуть виявити туманність газових мостів між галактиками, зрештою показуючи «відсутні баріони» у космічній мережі.

9.3 Прецизійна космологія порожнеч

Розвивається також галузь космології порожнеч, спрямована на використання властивостей порожнеч (розподілу розмірів, форм, швидкісних потоків) для перевірки альтернативних теорій гравітації, моделей темної енергії та інших не-ΛCDM варіантів.

10. Висновок

Галактичні скупчення, видимі у вузлах космічної мережі, а також нитки, «пласти» і порожнечі, розташовані між ними, утворюють основну «конструкцію» Всесвіту на найбільших масштабах. Ці структури виникли з незначних флуктуацій густини в ранньому Всесвіті, що посилювалися під впливом гравітації темної матерії та розширення, викликаного темною енергією.

Сьогодні ми бачимо динамічну космічну мережу, повну величезних скупчень, переплетених нитками, що містять безліч галактик, і широких, майже порожніх просторів. Ці величезні «конструкції» не лише відображають важливість гравітаційних законів на міжгалактичному масштабі, а й є ключовими для перевірки космологічних моделей та нашого розуміння того, як галактики розвиваються у найгустіших або найрідкісніших місцях Всесвіту.

Посилання та додаткове читання

  1. Bond, J. R., Kofman, L., & Pogosyan, D. (1996). “Як нитки вплітаються у космічну мережу.” Nature, 380, 603–606.
  2. de Lapparent, V., Geller, M. J., & Huchra, J. P. (1986). “Шматок Всесвіту.” The Astrophysical Journal Letters, 302, L1–L5.
  3. Спрінгель, В., та ін. (2005). “Моделювання формування, еволюції та скупчення галактик і квазарів.” Nature, 435, 629–636.
  4. Cautun, M., et al. (2014). “Холодна темна матерія космічної мережі.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 441, 2923–2944.
  5. Van de Weygaert, R., & Platen, E. (2011). “Космічні порожнечі: структура, динаміка та галактики.” International Journal of Modern Physics: Conference Series, 1, 41–66.
Повернутися до блогу