Расширяя границы наблюдаемой Вселенной, астрономы не раз пересматривали свои представления о ее строении. Удивительно, но всего лишь сто лет назад они были почти уверены, что мир состоит из одной нашей Галактики, включающей сотни тысяч звезд и тысячи туманностей, многие из которых похожи на спирали.
Тот драматический период в истории астрономии завершился открытиями Эдвина Хаббла, окончательно доказавшими, что многие из тех странных туманностей - это другие галактики, беспорядочно разбросанные во вселенной. Последующий анализ распределения десятков тысяч реально наблюдаемых галактик показал, что их расположение в пространстве не такое уж беспорядочное, а подчиняется определенным закономерностям,
которые нашли отражение в понятии крупномасштабной структуры вселенной. В чем же заключается этот феномен и каковы его возможные причины?
Сделаем краткий обзор работ на эту тему, размещенных на сайте
www.arXiv.org за последние годы. Начнем с работы [1]: "На масштабах от мегапарсека до нескольких сотен мегапарсек (парсек - стандартная единица измерений расстояний в космосе, равная 3.26 световых года; мегапарсек - миллион парсек - типичная шкала измерений крупномасштабной структуры), вселенная имеет паутинообразное строение. В космической паутине галактики, межгалактический газ и темная материя образовали запутанную пространственную систему из плотных компактных кластеров, протяженных волокон, плоских стен и огромных, почти пустых областей -войдов. Волокна, вытягиваясь как гигантские щупальца от плотных узлов - кластеров, служат транспортными каналами, по которым массы перетекают к кластерам. Они окружают плоские стены - тонкие мембраноподобные образования из космических масс". Далее в работе [2] читаем: "Войды - это огромные регионы размером 20-50 Мпс., в которых практически нет галактик, обычно округлой формы и занимающие основную часть объема вселенной".
Чтобы представить 'рисунок' крупномасштабной структуры, помимо величины войдов хорошо бы еще знать оценку толщины стенок, разделяющих войды. Однако в противоположность размерам войдов, часто встречающихся в работах, оценка толщины стенок встретилась в одной, довольно старой работе [3], где сказано: "Регионы, содержащие большую часть галактик - стены и волокна - тоньше, чем 10 Мпа."
Таким образом, крупномасштабная структура похожа на множество плотно уложенных многогранников различных форм и размеров, где войды - это внутренность многогранников, стены - соприкасающиеся грани, волокна (филаменты) - ребра, образованные пересечением стен, а кластеры (узлы) - пересечение ребер-волокон.
Несмотря на свое название, войды (англ. void - пустой) не совсем пусты - в них тоже встречаются галактики, но со своими особенностями: "Галактики войдов значительно отличаются от обычных галактик - их звезды более молоды и находятся в более крупных и менее искаженных газовых облаках. ...они голубее и имеют повышенный темп звездообразования"[2].
Приблизительное, но наглядное представление о соотношении объемов, занимаемых элементами структуры, дают следующие цифры из работы [4], полученные, правда, методом численного моделирования. Так объем пространства, занимаемого войдами, составляет около 69%, стенами - 26.8%, волокнами - 4%, узлами - 0.24%.
Ввиду огромности масштабов и привязанности наблюдателя к одной точке пространства, крупномасштабную структуру вселенной нельзя наблюдать визуально. Ее смогли обнаружить только после накопления сведений о десятках тысяч галактик и компьютерного построения их положений сначала на плоскости, а затем - в трехмерной системе координат.
В качестве источников данных для построения пространственного расположения галактик, в работах чаще всего упоминаются каталоги SDSS и 2dFGRS, в которых собраны сведения о более миллиона галактик - именно на этих, постоянно обновляющихся данных, и основываются исследования крупномасштабной структуры.
Чтобы задать координаты расположения галактики в пространстве, необходимо знать не только ее угловое положение, но самое сложное - удаленность от наблюдателя. Как известно, единственным и малонадежным носителем информации для определения расстояний на таких масштабах является красное смещение спектра принимаемого сигнала. Поэтому, строго говоря, координаты положения галактик определены не в реальном трехмерном пространстве, а в т. наз. пространстве красных смещений.
Вот что об этом написано в работе [5](под трассером здесь понимается наблюдаемый объект - галактика): "Поскольку для определения расстояния каждого трассера по направлению взгляда используется общее красное смещение, и два источника красного смещения (пекулярная скорость объекта и Хаббловское движение - kavict) не могут быть различены, кажущееся распределение трассеров в пространстве красных смещений
(в противоположность реальному пространству) перекошено, и этот эффект называется 'искажение пространства красных смещений'. На больших масштабах это приводит к удлинению структуры в направлении, перпендикулярном направлению взгляда...- т. наз. Kaiser-эффект. В противоположность этому, на малых масштабах структуры в основном вытягиваются вдоль линии взгляда, что известно как Finger-of-God-эффект." Несмотря на эти искажения, различием между пространством красных смещений и реальным пренебрегают и все координаты положения галактик относят к реальному пространству.
Из всех элементов крупномасштабной космической структуры наибольшее внимание в работах уделяется войдам. Чтобы их находить в огромном массиве координат галактик, разработаны специальные компьютерные программы - поисковики войдов. Наиболее часто упоминаемый из них - пакет ZOBOV. В этом алгоритме пространство, заполненное точками (каждая точка - это галактика), разбивается на ячейки Вороного. Объем каждой полученной ячейки характеризует среднюю плотность вещества (больше ячейка - меньше плотность). Затем выделяются зоны, где сомкнуты вместе наиболее крупные ячейки - эти зоны и принимаются за войды. Как отмечается в работе [6] "Одно из преимуществ пакета ZOBOV - в нем не нужно делать никаких начальных предположений о форме войда, что позволяет находить их естественные формы". Существуют и другие алгоритмы поиска войдов, но "...которые, к сожалению, не всегда дают согласованные результаты"[7].
Мы говорим о крупномасштабной структуре, образованной галактиками - т.е. видимой материей. Однако, по современным представлениям, видимая (барионная) материя - это всего лишь 4% от всего, что заполняет пространство. "Еще 20% плотности энергии Вселенной находится в форме темной материи, которая оказывает гравитационное влияние на обычную материю, но не поглощает и не испускает свет" [8].
Поскольку видимая материя гравитационно связана с темной материей, предполагается, что наблюдаемое пространственное распределение первой является индикатором распределения в пространстве второй. Поэтому сгустки видимой материи (галактики, водородные облака и т.д.) воспринимаются как трассеры (индикаторы положения) темной материи. Однако "...пространственное расположение этих трассеров обычно отличается от распределения темной материи, что отражено в понятии 'смещение' (bias)"[5].
Но чтобы знать, насколько структура, образованная видимой материей, смещена относительно темной материи, необходимо знать, как распределена эта последняя. Для этого применяется т. наз. N-body-моделирование - компьютерное моделирование поведения в некотором объеме N массивных частиц, гравитационно взаимодействующих друг с другом. Дополнительные силы взаимодействия, а так же начальное расположение точек задаются, исходя из принимаемой модели вселенной.
Ввиду сложности расчетных алгоритмов число точек, участвующих в моделировании, ограничено. В то же время, объем пространства моделирования должен быть таким, в котором уже проявляется крупномасштабная структура. Поэтому каждая точка является очень грубой имитацией темной материи. Тем не менее, моделирование дает картину распределения темной материи, в которой так же наблюдаются войды, волокна и узлы, что хорошо представлено, например, в работе [4].
Теперь коснемся самого сложного вопроса современной космологии - как образовалась крупномасштабная структура. Оставаясь в рамках концепции образования вселенной в результате Большого Взрыва, первопричины формирования крупномасштабной структуры исследователи относят ко времени ранней вселенной. В работе [9] отмечено: "Мы обязаны Г. Леметру, который в работах, датированных 1931 и 1934 годами высказал идею, что должна существовать крупномасштабная структура вселенной, которая образовалась в результате гравитационной нестабильности первоначальных малых неоднородностей".
Это тем более удивительно, что тогда еще ничего не было известно о существовании этой структуры. Более подробно читаем в работе [10]: "К моменту разделения вещества и излучения фотоны уже больше не могли ионизировать вещество, и эти две субстанции вышли из термического равновесия. Вследствие этого давление упало от очень высокого давления излучения перед разделением до очень низкого давления газа после разделения. Этот быстрый и хаотичный переход от высокого давления к низкому привел к диабатическим возмущениям давления и малым флуктуациям плотности. Установлено, что усиление возмущений плотности происходило не только в результате действия гравитационных сил, но так же благодаря теплообмену с окружающим пространством. Степень усиления неоднородностей строго зависела от ее размеров. В неоднородностях размером порядка 6.5 пс. гравитация и теплообмен действовали совместно, дополняя друг друга, что приводило к их быстрому уплотнению. Более крупные неоднородности, несмотря на более сильные гравитационные поля, уплотнялись медленнее из-за нелинейности теплообмена. С другой стороны, размеры неоднородностей, мельче 6.5 пс. росли медленно из-за слабой гравитации и недостаточного теплообмена, и не достигли нелинейного режима за 13.81 млрд. лет".
И, наконец, совсем коротко - в работе [11]: "К крупномасштабной структуре вселенной привели, по-видимому,
первоначальные флуктуации. Эти возмущения плотности послужили 'затравкой' для маломасштабных структур, которые гравитационно коллапсировали и разделились, образуя сеть из стенок, волокон и войдов. Эти флуктуации очень хорошо отпечатались на крупномасштабной структуре, как считают многие исследователи".
Как показывают исследования, определенные закономерности прослеживаются не только в пространственном расположении галактик, но и в их ориентации. Установлено, что положения осей вращения спиральных галактик и осей эллиптических проявляют, хотя и слабую, но вполне заметную связь с элементами крупномасштабной структуры, в которых эти галактики находятся. Приведем данные из некоторых работ.
"В целом рассмотрено 178 войдов и 201 галактика для оценки их осей вращения. Отсюда выяснена вероятность распределения углов между осью вращения галактики и направлением на центр войда. Измерения показали, что предпочтительная ориентация осей вращения - перпендикулярно направлению на центр войда с вероятностью 99.7%"[12].
"...оси вращения ярких спиральных галактик имеют слабую тенденцию устанавливаться параллельно филаментам. У эллиптических галактик короткие оси устанавливаются преимущественно перпендикулярно оси филамента, в котором они находятся"[13]. Однако "Наблюдательная картина для случая ориентации осей вращения галактик относительно плоскости стенок остается пока неясной"[14]
Для объяснения причин такого упорядочения ориентации галактик применяется теория приливных вращающих моментов (Tidal Torque Theory), согласно которой "...протогалактики получают вращающий момент благодаря асимметричному взаимодействию между их тензором инерции и локальным полем приливных сил"[15]
В приведенном здесь кратком обзоре современного состояния космологии по вопросу крупномасштабной структуры вселенной отсутствует упоминание о трудностях, с которыми она сталкивается. Однако они есть. Вот некоторые из них.
"Хорошо установлено, что упрощенное описание является вполне точным в стандартной ЛямбдаCDM космологии, когда возмущения исходят только от нерелятивистской материи. Тем не менее, ситуация неудовлетворительная по двум причинам. Во-первых, качество наблюдательных данных быстро растет, и последние наблюдения галактик более точны, когда примитивное использование пространства-времени становится недостаточным. Во-вторых, истинная природа темной материи и темной энергии еще не установлена"[16]
"... По этим причинам нам следует рассматривать вероятность, что ОТО не обеспечивает окончательного описания гравитации на больших масштабах... Мы должны принять, что теория гравитации, которую мы используем, нуждается в доработке"[17].
"Темная энергия вступает в конфликт с нашими знаниями фундаментальной физики. Если она ведет себя так, как следует из космологической константы (введенной Эйнштейном), тогда ее значение в 10^60 раз меньше, чем следует из теории. Это наибольшее несоответствие из когда-либо отмеченных в современной физике... Это подразумевает, что либо космологическая константа неправильно описывает темную энергию, и возникает необходимость создания более экзотических моделей, либо требуются радикальные изменения в наших фундаментальных физических теориях, таких как квантовая механика, ОТО и т.д."[8].
Помимо введения темной материи и темной энергии, для устранения несоответствия теории гравитации наблюдаемым данным, исследователи модифицируют ее (например, работа [17]) или вводят новые сущности - квинтэссенцию (напр.[18]) или пятую силу (напр.[19]).
Учитывая отмеченные трудности, автор представляет свою гипотезу образования крупномасштабной структуры вселенной и упорядочения ориентации осей галактик. Гипотеза эта основана на принятии существования мировой среды, заполняющей все пространство. Модель такой среды описана в работе [20]. Она представляет собой сжатое множество мелких жидкоподобных массивных гранул, и обладает рядом замечательных свойств.
Не останавливаясь на причинах всеобщего сжатия этой среды, предположим, что в наблюдаемой части вселенной в данную эпоху происходит ее расширение. Динамика системы массивных тел, в которой действуют силы упругости, на таких огромных масштабах сложна - в одних областях расширение идет немного быстрее, чем других. В результате среда состоит из участков разной 'сжатости' - объемные участки ускоренного расширения разделены более плотными перегородками. Таким образом, среда создает, образно говоря, матрицу, на которой формируется вещество и эволюционирует в звездные образования. У такой среды условия образования частиц вещества и сила их гравитационного взаимодействия сильно зависят от степени ее сжатия, поэтому структура неоднородности сжатия проявляется в распределении наблюдаемого вещества, что мы и воспринимаем как крупномасштабную структуру вселенной.
Теперь об ориентации осей галактик. Описываемая среда обладает структурой, в которой есть несколько направлений, свойства вдоль которых отличаются от других направлений. Силы притяжения между телами в такой среде в общем случае нецентральны - они направлены мимо центров друг друга, с некоторым эксцентриситетом, зависящим от ориентации прямой, проходящей через центры этих тел, относительно особых направлений среды. Гравитационные силы между телами направлены строго друг на друга только в том случае, когда их общая прямая ориентирована вдоль одного из этих направлений.
В таких условиях система тел, вращающихся вокруг общего центра тяжести (напр. галактика) будет стремиться ориентировать свою ось вращения в одном из нескольких предпочтительных направлений, которые определяются структурой среды.
Источники информации:
1. //arxiv.org/pdf/1508.00737.pdf
2. //arxiv.org/pdf/1307.7182.pdf
3. //arxiv.org/pdf/astro-ph/9702135.pdf
4. //arxiv.org/pdf/1511.05971.pdf
5. //arxiv.org/pdf/1507.04363.pdf
6. //arxiv.org/pdf/1602.02771.pdf
7. //arxiv.org/pdf/1504.06510.pdf
8. //arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1110/1110.3193.pdf
9. //arxiv.org/pdf/1311.2724.pdf
10. //arxiv.org/pdf/1601.01260.pdf
11. //arxiv.org/pdf/1509.02941.pdf
12. //arxiv.org/pdf/1504.05465.pdf
13. //arxiv.org/pdf/1308.2816.pdf
14. //arxiv.org/pdf/1504.05456.pdf
15. //arxiv.org/pdf/1409.7150.pdf
16. //arxiv.org/pdf/1509.01699.pdf
17. //arxiv.org/pdf/1508.06859.pdf
18. //arxiv.org/pdf/1101.1026.pdf
19. //arxiv.org/pdf/1212.2216.pdf
20. www[точка]presdrop.ru