Як галактики збираються у гігантські структури, сформовані темною матерією та первинними флуктуаціями
Більше ніж окремі галактики
Наш Чумацький Шлях — лише одна з мільярдів галактик. Проте галактики не розкидані випадково: вони збираються у суперскупчення, нитки і пласти, розділені величезними порожнечами, де майже немає світної матерії. Всі ці великомасштабні структури утворюють мережу, що простягається на сотні мільйонів світлових років, часто звану «космічною мережею». Ця складна мережа формується насамперед завдяки каркасу темної матерії, гравітаційне тяжіння якої організовує як темну, так і баріонну матерію у космічні «шляхи» та порожнечі.
Розподіл темної матерії, зумовлений первинними флуктуаціями раннього Всесвіту (посиленими космічним розширенням і гравітаційною нестабільністю), створює зачатки галактичних гало. У цих гало пізніше формуються галактики. Спостереження цих структур і їх порівняння з теоретичними симуляціями стали основою сучасної космології, підтверджуючи модель ΛCDM на найбільших масштабах. Нижче розглядається, як ці структури були відкриті, як вони розвиваються і які сучасні горизонти досліджень для глибшого розуміння космічної мережі.
2. Історичний розвиток і огляди спостережень
2.1 Ранні ознаки скупчень
Перші каталоги галактик (наприклад, спостереження Шеплі про багаті скупчення у 40-х роках, пізніші огляди червоного зсуву, такі як CfA Survey у 80–90-х роках) показали, що галактики справді збираються у великі структури, значно більші за окремі скупчення чи групи. Суперскупчення, такі як Кома (Coma Supercluster), дозволили припустити, що близький Всесвіт має ниткоподібне розташування.
2.2 Огляди червоного зсуву: піонери 2dF і SDSS
Огляд червоного зсуву галактик 2dF (2dFGRS) і пізніше Sloan Digital Sky Survey (SDSS) значно розширили карти галактик до сотень тисяч, а згодом – мільйонів об'єктів. Їхні тривимірні карти чітко показали космічну мережу: довгі нитки з галактик, величезні порожнечі, де майже немає галактик, і масивні суперскупчення, що формуються на перетинах. Найдовші нитки можуть простягатися на сотні мегапарсек.
2.3 Сучасна Епоха: DESI, Euclid, Roman
Поточні та майбутні огляди, такі як DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), Euclid (ESA) та космічний телескоп Nancy Grace Roman (NASA), ще більше поглиблять і розширять ці карти зсувів до десятків мільйонів галактик із більшими зсувами. Вони прагнуть дослідити розвиток космічної мережі від ранніх епох і детальніше оцінити взаємодію темної матерії, темної енергії та формування структур.
3. Теоретичні Основи: Гравітаційна Нестабільність і Темна Матерія
3.1 Початкові Флуктуації з Інфляції
У ранньому Всесвіті, під час інфляції, квантові флуктуації перетворилися на класичні порушення щільності, що охоплювали діапазони різних масштабів. Після завершення інфляції ці порушення стали зачатками космічних структур. Оскільки темна матерія є холодною (ранньо ставши нерелятивістською), вона досить швидко почала збиратися, відокремившись від гарячого випромінювання навколишнього середовища.
3.2 Від Лінійного Зростання до Нелінійної Структури
У міру розширення Всесвіту області з трохи вищою за середню щільністю гравітаційно притягували все більше матерії, і контраст щільності зростав. Спочатку цей процес був лінійним, але в деяких областях він став нелінійним, доки ці області не колапсували у гравітаційні гало. Тим часом області з меншою щільністю розширювалися швидше, формуючи космічні порожнечі. Космічна мережа виникає з цієї взаємної гравітаційної взаємодії: темна матерія стає каркасом, на який падають баріони, формуючи галактики.
3.3 N-тельні Симуляції
Сучасні N-тельні симуляції (Millennium, Illustris, EAGLE та інші) відстежують мільярди частинок, що представляють темну матерію. Вони підтверджують мережевий розподіл – волокна, вузли (скупчення) та порожнечі – і показують, як галактики формуються у щільних гало на цих вузлах або вздовж волокон. Ці симуляції використовують початкові умови з КФС (CMB) спектра потужності, демонструючи, як малі амплітуди флуктуацій зростають до сьогоднішніх видимих структур.
4. Структура Космічної Мережі: Волокна, Порожнечі та Суперскупчення
4.1 Волокна
Волокна – це зв’язки між масивними скупченнями «вузлів». Вони можуть простягатися на десятки чи навіть сотні мегапарсек, де знаходяться різні скупчення галактик, групи та міжгалактичний газ. У деяких спостереженнях видно слабке рентгенівське (X) або водневе HI випромінювання, що з’єднує скупчення і свідчить про наявність газу. Ці волокна подібні до магістралей, якими матерія з менш щільних областей рухається до більш щільних вузлів через гравітацію.
4.2 Порожнечі
Порожнечі – це величезні, малоплотні регіони, де майже немає галактик. Зазвичай вони мають діаметр близько 10–50 Мпк, але можуть бути й більшими. Галактики, що знаходяться всередині порожнеч (якщо такі взагалі є), часто дуже ізольовані. Порожнечі розширюються трохи швидше за більш щільні області, можливо, впливаючи на еволюцію галактик. Оцінюється, що близько 80–90 % космічного простору складають порожнечі, у яких зосереджено лише близько 10 % усіх галактик. Форма і розподіл цих порожнеч дозволяють перевіряти гіпотези темної енергії або альтернативних моделей гравітації.
4.3 Суперскупчення
Суперскупчення зазвичай не є повністю гравітаційно зв'язаними, але вони утворюють великомасштабні надгустини (overdensities), що охоплюють кілька скупчень і волокон. Наприклад, суперскупчення Шеплі чи суперскупчення Геркулеса – одні з найбільших відомих таких структур. Вони визначають великомасштабне середовище для галактичних скупчень, але протягом космічних часових проміжків можуть і не стати однорідною гравітаційною системою. Наша місцева група (Local Group) належить до суперскупчення Вірго (Virgo), також відомого як Ланіакеа – тут зосереджено сотні галактик, центральною частиною яких є скупчення Вірго.
5. Значення Темної Матерії у Космічній Мережі
5.1 Космічний Каркас
Темна матерія, будучи безстолкненною (collisionless) і складаючи більшість матерії, формує гало у вузлах і вздовж волокон. Баріони, які взаємодіють електромагнітно, пізніше конденсуються у галактики в цих гало темної матерії. Без темної матерії одні баріони важко сформували б масивні гравітаційні колодязі достатньо рано, щоб утворилися сьогодні спостережувані структури. N-тельні симуляції, у яких темна матерія вилучена, показують зовсім інший розподіл, що не відповідає реальності.
5.2 Підтвердження Спостережень
Слабке гравітаційне лінзування (англ. cosmic shear) на великих ділянках неба безпосередньо вимірює розподіл маси, який збігається з волокнистими структурами. Спостереження рентгенівського (X) та ефекту Суньяєва–Зельдовича (SZ) у скупченнях виявляють скупчення гарячого газу, які часто відповідають гравітаційним потенціалам темної матерії. Поєднання даних лінзування, рентгенівських спостережень і розташування галактичних скупчень сильно підтримує важливість темної матерії у космічній мережі.
6. Вплив на Формування Галактик і Скупчень
6.1 Ієрархічне Злиття
Структури формуються ієрархічно: менші гало зливаються у більші з плином космічного часу. Волокна утворюють постійний потік газу та темної матерії до вузлів скупчень, ще більше їх збільшуючи. Моделювання показують, що галактики, розташовані у волокнах, мають швидший приплив матерії, що впливає на їхню історію зореутворення та морфологічні перетворення.
6.2 Вплив середовища на галактики
Галактики в щільних нитках або центрах скупчень зазнають зняття газу тиском (ram-pressure stripping), потенційних припливних руйнувань (tidal interactions) або проблем з нестачею газу, що може спричинити морфологічні зміни (наприклад, перетворення спіралей у лінзоподібні галактики). Натомість галактики в пустотах можуть залишатися багатими на газ і активніше формувати зорі, оскільки вони менше взаємодіють із сусідами. Отже, середовище космічної сітки суттєво впливає на еволюцію галактик.
7. Майбутні огляди: детальна карта сітки
7.1 Проекти DESI, Euclid, Roman
DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) збирає ~35 мільйонів зсувів галактик/квазарів, що дозволяє створювати 3D карти космічної сітки до приблизно z ~ 1–2. Водночас Euclid (ESA) та космічний телескоп Roman (NASA) нададуть надширокі зображення та спектроскопічні дані мільярдів галактик, дозволяючи вимірювати лінзування, BAO та зростання структури для уточнення темної енергії та космічної геометрії. Ці огляди нового покоління дозволять безпрецедентно точно «тканину» карти сітки до ~z = 2, охоплюючи ще більшу частину Всесвіту.
7.2 Карти спектральних ліній
HI інтенсивні карти (intensity mapping) або карти ліній CO дозволяють швидше спостерігати великомасштабну структуру у просторі зсуву, навіть не відображаючи кожну окрему галактику. Цей метод прискорює огляди і дає прямі дані про розподіл матерії в космічні часи, накладаючи нові обмеження на темну матерію та темну енергію.
7.3 Перехресні кореляції та багатоканальні (Multi-Messenger) методи
Поєднання даних із різних космічних індикаторів – КФС лінзування, слабкого лінзування галактик, рентгенівських каталогів скупчень, 21 см інтенсивні карти – дозволить точно реконструювати тривимірне поле густини, нитки та потоки матерії. Такий комплекс методів допомагає перевіряти закони гравітації на великих масштабах і порівнювати прогнози ΛCDM з можливими моделями модифікованої гравітації.
8. Теоретичні дослідження та невирішені питання
8.1 Маломасштабні невідповідності
Хоча космічна сітка в цілому добре узгоджується з ΛCDM, у деяких маломасштабних областях спостерігаються невідповідності:
- Проблема cusp–core у кривих обертання карликових галактик.
- Проблема відсутніх супутників: навколо Чумацького Шляху виявляється менше карликових гало, ніж очікувалося за простими симуляціями.
- Явища площин супутників (plane of satellites) або інші невідповідності розташування в деяких локальних групах галактик.
Це може означати, що важливі процеси зворотного зв’язку баріонів або потрібна нова фізика (наприклад, тепла темна матерія чи взаємодіючі темні матерії), яка змінює структуру на масштабах менших за Mpc.
8.2 Фізика раннього Всесвіту
Початковий спектр флуктуацій, спостережуваний у космічній мережі, пов’язаний з інфляцією. Дослідження мережі на більших зсувних відстанях (z > 2–3) могли б виявити тонкі ознаки негаусівських флуктуацій або альтернативних сценаріїв інфляції. Тим часом нитки епохи реіонізації та розподіл баріонів – це ще один «горизонт» спостережень (наприклад, через 21 см томографію або глибокі огляди галактик).
8.3 Перевірка гравітації на великих масштабах
Теоретично, досліджуючи, як нитки формуються в космічному часі, можна перевірити, чи відповідає гравітація загальній теорії відносності (ЗТВ), або чи проявляються відхилення за певних умов у великих суперскупченнях. Сучасні дані підтримують стандартне зростання гравітації, але детальніша карта в майбутньому може виявити незначні відхилення, важливі для теорій f(R) або «braneworld».
9. Висновок
Космічна мережа – велика нитка, порожнеч і суперскупчень плетіння – виявляє, як структура Всесвіту розгортається з гравітаційного зростання початкових флуктуацій щільності, керованого темною матерією. Відкривши її під час великих оглядів зсувів і порівнявши з надійними N-тельними симуляціями, стає очевидним, що темна матерія є необхідним «каркасом» для формування галактик і скупчень.
Галактична мережа розташовується цими нитками, стікає у вузли скупчень, а великі порожнечі залишаються одними з найпорожніших просторів космосу. У цьому розташуванні, що простягається на сотні мегапарсек, виявляються риси ієрархічного росту Всесвіту, які чудово узгоджуються з ΛCDM і підтверджені анізотропіями КФС та всією ланцюжком космічних спостережень. Огляди сучасних і майбутніх проєктів дозволять ще детальніше «відчути» тривимірний образ космічної мережі, краще зрозуміти розвиток структури Всесвіту, природу темної матерії та перевірити, чи діють стандартні закони гравітації на найбільших масштабах. Ця космічна мережа — це грандіозний, взаємопов’язаний мотив і «відбиток пальців» самого космічного творіння від перших миттєвостей до сьогодення.
Література та додаткове читання
- Gregory, S. A., & Thompson, L. A. (1978). «Суперкластери галактик.» The Astrophysical Journal, 222, 784–796.
- de Lapparent, V., Geller, M. J., & Huchra, J. P. (1986). “Шматок Всесвіту.” The Astrophysical Journal Letters, 302, L1–L5.
- Colless, M., et al. (2001). «Огляд червоних зсувів галактик 2dF: спектри та червоні зсуви.» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 328, 1039–1063.
- Tegmark, M., et al. (2004). «Космологічні параметри з SDSS та WMAP.» Physical Review D, 69, 103501.
- Спрінгель, В., та ін. (2005). “Моделювання формування, еволюції та скупчення галактик і квазарів.” Nature, 435, 629–636.