Космическая станция | Физика

(Изображение предоставлено Honglouwawa/Getty Images)

Автор Жасмин Фокс-Скелли, 3 марта 2023 г.

Открытие гигантских сверхскоплений галактик бросает вызов самому нашему пониманию Вселенной.

I

В 2021 году британский аспирант Алексия Лопес, анализируя свет, исходящий от далеких квазаров, сделала поразительное открытие.

Она обнаружила гигантскую, почти симметричную дугу галактик на расстоянии 9,3 миллиарда световых лет в созвездии Волопаса-Пастушника. Охватывая массивные 3,3 миллиарда световых лет в поперечнике, структура составляет колоссальную 1/15 радиуса наблюдаемой Вселенной. Если бы мы могли видеть его с Земли, он был бы размером с 35 полных лун, отображаемых на небе.

Известная как Гигантская Дуга, структура ставит под сомнение некоторые из основных предположений о Вселенной. Согласно стандартной модели космологии — теории, на которой основано наше понимание Вселенной, — материя должна быть более или менее равномерно распределена в пространстве. Когда ученые рассматривают Вселенную в очень больших масштабах, не должно быть никаких заметных отклонений; все должно выглядеть одинаково во всех направлениях.

Однако Гигантская дуга — не единственный пример такого рода. Эти гигантские структуры теперь заставляют ученых пересматривать свою теорию эволюции Вселенной.

Лопес училась на степень магистра в Университете Центрального Ланкашира в Великобритании, когда ее руководитель предложил использовать новый метод для анализа крупномасштабных структур во Вселенной. Она использовала квазары — далекие галактики, которые излучают невероятное количество света — для поиска признаков ионизированного магния, верного признака газовых облаков, окружающих галактику. Когда свет проходит через этот ионизированный магний, определенные частоты поглощаются, оставляя уникальные световые «сигнатуры», которые могут обнаружить астрономы.

Вам также могут понравиться:

• Тайна того, насколько велика наша Вселенная
• Гигантская ракета для установления новых космических рекордов
• Что существовало до Большого Взрыва?

«Я изучил известные и задокументированные скопления галактик, а затем начал рисовать, как эти области выглядели с помощью метода Magnesium II», — говорит Лопес.

То, что обнаружила «счастливая случайность» Лопес, было поразительно. Глядя на созвездие Волопаса, можно увидеть, что скопление из 45-50 газовых облаков, каждое из которых связано по крайней мере с одной галактикой, кажется, образует дугу диаметром 3,3 миллиарда световых лет. Это значительный размер, учитывая, что ширина наблюдаемой Вселенной составляет 94 миллиарда световых лет.

Эти гигантские структуры теперь заставляют ученых пересматривать свою теорию эволюции Вселенной (Фото: Standret/Getty Images)

Согласно статье Лопеса, крайне маловероятно (вероятность всего 0,0003%), что такое большое сооружение могло возникнуть случайно. Это предполагает, что он мог образоваться из-за чего-то в естественной физике Вселенной, что мы в настоящее время не учитываем.

Этот аспект, известный как космологический принцип, утверждает, что в большом масштабе Вселенная должна выглядеть примерно одинаково везде, независимо от вашего положения или направления, в котором вы смотрите. Не должно быть гигантских конструкций, пространство должно быть ровным и однородным. Это удобно, так как позволяет исследователям делать выводы обо всей Вселенной, основываясь только на том, что мы видим из своего уголка. Однако это также имеет смысл, поскольку после Большого взрыва Вселенная расширилась вовне, одновременно разбрасывая материю во всех направлениях.

Есть еще одна проблема. Согласно стандартной модели, такие структуры, как Гигантская дуга, просто не успели бы сформироваться.

«Современное представление о том, как структуры формируются во Вселенной, основано на процессе, известном как гравитационная нестабильность», — говорит Субир Саркар, профессор теоретической физики Оксфордского университета.

Примерно через миллион лет после Большого взрыва, когда Вселенная расширялась, крошечные колебания плотности привели к слипанию частиц материи. За миллиарды лет сила гравитации в конечном итоге привела к тому, что эти глыбы сформировали звезды и галактики. Однако для этого процесса существует ограничение по размеру. Все, что крупнее 1,2 миллиарда световых лет в поперечнике, просто не успело сформироваться.

«Для образования структур необходимо, чтобы частицы собирались близко друг к другу, чтобы мог произойти гравитационный коллапс», — говорит Саркар. «Эти частицы должны были бы двигаться снаружи структуры, чтобы попасть туда. Итак, если ваша структура имеет диаметр 500 миллионов световых лет, свету потребуется 500 миллионов лет, чтобы пройти от одного конца до другого. Однако частицы, о которых мы говорим, движутся гораздо медленнее, чем свет, поэтому на создание структуры такого размера ушли бы миллиарды лет, а Вселенная существует всего около 14 миллиардов лет».

Волопас-пастух содержит гигантскую дугу галактик диаметром около 3,3 миллиарда световых лет. (Фото: Allexxandar/Getty Images)

Существует «Великая стена» (также называемая Великой стеной CfA2) галактик, открытая в 1989 году Маргарет Геллер и Джоном Хакра. Стена имеет длину около 500 миллионов световых лет, ширину 300 миллионов световых лет и толщину 15 миллионов световых лет.

Еще больше Слоанская Великая стена — космическая структура, образованная гигантской стеной галактик, открытая в 2003 году Дж. Ричардом Готтом III и Марио Юриком и их коллегами из Принстонского университета. Длина этой стены составляет почти 1,5 миллиарда световых лет.

За последнее десятилетие открытие этих бегемотов ускорилось еще больше. В 2014 году ученые обнаружили сверхскопление Ланиакея, совокупность галактик, в которой находится наш Млечный Путь. Ланаикея имеет диаметр 520 миллионов световых лет и содержит массу примерно 100 миллионов миллиардов солнц. Затем в 2016 году была обнаружена Великая стена BOSS — комплекс галактик диаметром более миллиарда световых лет. BOSS состоит из 830 отдельных галактик, которые под действием гравитации стянулись в четыре сверхскопления.

Однако в настоящее время рекордсменом по величине из этих сооружений является Великая стена Геркулес-Корона Бореалис. Обнаруженная в 2013 году, она простирается на 10 миллиардов световых лет, что составляет более одной десятой размера видимой Вселенной.

Галактики начали формироваться примерно через миллион лет после Большого взрыва, когда материя начала слипаться (Фото: Pixelparticle/Getty Images)

Вселенной», — говорит Джон Хаккила, профессор физики и астрономии Университета Алабамы в Хантсвилле.

Их опасения были оправданы. И Хаккила, и Лопес провели ряд статистических тестов, пытаясь доказать, что результаты не могут быть случайными. Для Giant Arc результаты имеют уровень достоверности 99,9997%. В научных исследованиях золотой стандарт статистической значимости известен как 5-сигма, что соответствует вероятности примерно 1 на 3,5 миллиона того, что результаты являются случайными. Гигантская дуга достигла значимости 4,5 сигма, поэтому все еще существует вероятность того, что структура представляет собой случайное расположение звезд.

«Наши глаза очень хорошо различают узоры. Вы можете видеть инициалы в облаках, но это не настоящая структура, ваш разум накладывает структуру на то, что на самом деле является случайным», — объясняет Саркар. «Однако я не думаю, что в данной ситуации это так, я думаю, что это настоящая физическая цепь сверхскоплений».

Если будет доказано существование других структур, таких как Гигантская дуга и Великая стена Геркулес-Корона Бореалис, астрономы будут вынуждены переписать или, по крайней мере, пересмотреть стандартную космологическую модель.

Адаптировать модель приходится не в первый раз. В 1933 году ученый из Калифорнийского технологического института Фриц Цвикки измерил массу скопления галактик и обнаружил, что это число меньше, чем он ожидал. На самом деле масса была настолько мала, что галактики должны были разлететься и избежать гравитационного притяжения скопления. Следовательно, что-то еще должно удерживать скопления галактик вместе.

Это «что-то» — темная материя, таинственная субстанция, которая, как считается, составляет 27% Вселенной. Потом в 1998 модель была дополнительно адаптирована для включения темной энергии после того, как две независимые группы астрономов измерили расширение Вселенной и обнаружили, что оно ускоряется.

В любом случае, в ближайшие несколько лет мы узнаем наверняка. Наследие обзора пространства и времени (LSST), запланированное 10-летнее исследование южного неба, может предоставить астрономам беспрецедентный вид на Вселенную.

«Чтобы изменить парадигму, нужно многое, особенно когда люди вкладывают в это свою жизнь и карьеру, но в конечном итоге с помощью науки мы должны увидеть, кто прав», — говорит Саркар.

—

Присоединяйтесь к миллиону поклонников Future , поставив лайк нам на Facebook или подпишитесь на нас на Twitter или Instagram .