Overclockers.ru: Астрономы: Мы живём внутри огромной пустой области пространства, которой не должно существовать

Мы живем в космической пустоте - настолько пустой, что это нарушает все законы космологии. Все больше доказательств указывают на то, что наша галактика находится в центре самой крупной космической "пустыни" диаметром 2 миллиарда световых лет. И если это так, то нам, возможно, придется пересмотреть стандартную модель космологии.

Если, конечно, справедливо одно из наших самых твердых убеждений о космосе. Этот постулат, известный как космологический принцип, гласит, что материя во Вселенной в среднем распределена однородно. Это краеугольный камень, на котором построена большая часть современной космологии. Но если войд KBC действительно существует, этот "камень" может разрушиться.

Более того, в последние годы астрономы обнаружили и другие столь же огромные структуры. Поэтому сегодня все чаще звучит вопрос: если мы действительно живем в пустоте, нужно ли кардинально менять наши космические теории? Это может потребовать переосмысления гравитации, природы темной материи, а возможно, и того, и другого.

Идею о том, что Вселенная неизменна на протяжении всей своей истории, можно проследить, по крайней мере, со времен Исаака Ньютона. Он утверждал, что движение звезд и планет можно объяснить законом всемирного тяготения, который действует везде. Сегодня аналогичная теория применяется в методике распределения вещей. Космологический принцип гласит, что Вселенная должна быть изотропной и однородной, то есть каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения, обнаруживает во Вселенной в целом одну и ту же картину.

Для этого есть четкое обоснование. Сразу после Большого взрыва материя была сконцентрирована в чрезвычайно плотном и горячем "шаре", который затем увеличился в размерах в эпоху, которую мы называем инфляцией. Этот очень быстрый период расширения должен был сгладить плотность материи, что в конечном итоге привело бы к созданию Вселенной, в которой галактики распределены равномерно.

Стандартная космологическая модель

Эти теории лежат в основе стандартной космологической модели (модель ΛCDM), на данный момент наиболее убедительно объясняющей, как появился и эволюционировал космос. Наряду с космологическим принципом, модель ΛCDM также включает предположение, что Вселенная состоит из темной энергии и темной материи. Первая обладает "силой", связанной с постоянным расширением космоса, а вторая — это неопознанная субстанция, которая лишь гравитационно взаимодействует с обычной материей. Исходя из этого, модель хорошо объясняет главные свойства космоса, включая количество гелия и дейтерия, образовавшихся в первые несколько минут существования Вселенной, а также реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва и известное как космический микроволновый фон.

Однако космологический принцип является статичным по своей природе. Это означает, что несмотря на то, что Вселенная в целом однородна, принцип не запрещает образования пространств с очень большой или малой плотностью вещества, если конечно они не слишком многочисленны. "В рамках общей однородности могут возникнуть определенные аномалии, но таких случаев должно быть мало. Вы можете рассчитать вероятность появления подобных структур, и она может быть очень низкой - но не нулевой", - говорит астрофизик Приямвада Натараджан из Йельского университета. В итоге мы не ожидаем увидеть пустоты или структуры диаметром более 1,2 миллиарда световых лет".

Первые намеки на то, что наша область Вселенной "игнорирует эту концепцию", появились в 1990 году, когда Томас Шанкс из Даремского университета (Великобритания) и его коллеги изучили результаты исследования, сделанные на основе оптических фотографий, и подсчитали количество находящихся в ней галактик. Их оказалось гораздо меньше, чем они ожидали. В 1997 году группа астрономов подсчитала количество галактик в том же регионе на основе инфракрасных снимков и пришла к такому же заключению.

В 2013 году три исследователя - Райан Кинан из Института астрономии и астрофизики Academia Sinica на Тайване, Эми Баргер из Университета Висконсин-Мэдисон и Леннокс Кови из Гавайского университета - провели повторное исследование с помощью современного инфракрасного телескопа. Они исследовали ту же самую область с крайне низким количеством галактик и, что очень важно, составили структурную карту этой пустоты. "Стало совершенно ясно, что существует регион с чрезвычайно низкой плотностью вещества", - говорит Кови. Ученые обнаружили, что мы живем в космической "пустоте" шириной 2 миллиарда световых лет, плотность вещества в которой примерно на 20 процентов ниже средней.

Теперь эта область известна как "местная пустота" или "войд KBC" - по инициалам ее первооткрывателей. Однако долгое время оставались сомнения в том, так ли уж она пустынна, как может показаться на первый взгляд. В конце концов, там может находиться множество объектов, которые не излучают видимый или инфракрасный свет, и поэтому их могли просто не заметить.

После того, как с помощью различных инструментов наблюдения, в том числе благодаря исследованию 2020 года, в котором изучалось рентгеновское излучение галактик была, составлена подробная карта Местного Войда, ученые пришли к выводу, что "наша" пустота менее плотная, чем Вселенная в целом. "Наблюдательные доказательства очень убедительны", - говорит Шанкс. "Подсчет галактик — это простой и надежный метод".

 На снимке скопление галактик Эль-Гордо - это чрезвычайно крупная космическая структура, массой около 3 квадриллионов солнечных масс. ESO/ VLT / UC Chille/ M.Infante & SOAR (MSU/NOAO/UNC/CNPq-Brazil)/Rutgers/F.Menanteau, IR

Это ставит учёных в затруднительное положение. Что, если Вселенная не настолько изотропна и однородна, как мы всегда считали? "Обнаружение того, что это не так, заставит нас пересмотреть стандартную модель космологии", - говорит Кови.

Он не считает, что факт существования войда КВС является достаточной причиной для паники. Но есть и другие поводы для беспокойства. В 2019 году Алексия Лопес из Университета Центрального Ланкашира (Великобритания) тестировала новый метод анализа изображений, полученных в ходе Слоановского цифрового обзора неба. (Цель проекта - картографирование всего ночного неба в северном и южном полушариях Земли). В своей работе она использовала способность чрезвычайно ярких объектов, называемых квазарами, подсвечивать более тусклую материю. В своей статье, опубликованной в 2021 году, она сообщила, что обнаружила гигантскую дугу из галактик, простирающуюся на 3,3 миллиарда световых лет. И это лишь одно из нескольких удивительно огромных космических объектов, обнаруженных за последние несколько лет.

Напряжение Хаббла

Огромные пустоты и структуры - не единственная проблема, с которой сталкивается стандартная модель космологии. Существует также напряжение Хаббла. Известно, что Вселенная расширяется с постоянно растущей скоростью, которая определяется величиной, известной как постоянная Хаббла. Проблема в том, скорость расширения Вселенной, измеренная локально, примерно на 10% больше, чем это следует из наблюдений реликтового излучения. Другими словами, что наш локальный участок Вселенной, вероятно, расширяется быстрее, чем все остальное. Буквально на прошлой неделе появились результаты исследования, которые, возможно, помогут решить проблему "напряжения Хаббла". Однако эта тема по-прежнему является предметом жарких дискуссий среди астрономов.

Кроме того, существует проблема "темных потоков" - космического явления, связанного с необъяснимым движением большого количества галактических кластеров в одном направлении. В прошлом году астроном Брент Талли из Гавайского университета и его коллеги наблюдали подобные явления в войде KBC. Ученые обнаружили, что скорость движения этих потоков в четыре раза выше, чем предсказывает стандартная модель космологии. "Эти измерения в сочетании с напряженностью Хаббла наводят на мысль о несостоятельности стандартной космологической модели", - говорит Талли.

И он далеко не единственный, кто так считает. Индранил Баник, исследователь из Университета Сент-Эндрюс в Великобритании, занимающийся изучением войда KBC, говорит, что напряженность Хаббла, проблема темных потоков и космические пустоты, подтверждают существование космологического кризиса. По его словам, исправить ситуацию, придерживаясь стандартной модели, "невозможно", поэтому пришло время искать другие решения.

"Это решение должно учитывать механизмы, с помощью которых такие структуры способны формироваться быстрее, чем мы обычно ожидаем. Вариантов здесь только два. Для этого необходимо либо "изменить" силу гравитации, либо свойства темной материи и способ, посредством которого она оказывает гравитационное притяжение".

Баник и его коллеги недавно проанализировали первый из этих вариантов, подкорректировав старую идею - модифицированную ньютоновскую динамику (MOND). Согласно этой гипотезе на очень больших расстояниях - например, на периферии галактик - сила тяготения между двумя объектами изменяется по законам, отличным от классической теории тяготения Ньютона.

Они вычислили, как MOND может изменить "наше местное окружение", предположив, что мы живем в пустоте, в которой на 20 процентов меньше материи, чем в среднем по космосу.

Исследователи пришли к выводу, что это закономерно приведет к тому, что местный Войд будет расширяться быстрее, поскольку материя - включая сверхновые и галактики, используемые для измерения расширения Хаббла - будет постоянно "вытекать" из этого региона, гравитационно притягиваясь к более плотным структурам, находящимся за пределами нашей пустоты.

Таким образом, живя в пустоте, мы в конечном итоге получаем завышенную оценку скорости расширения космоса. Более того, эта модель совпала с последними данными по темным потокам. Для Лопес эти результаты интересны тем, что они потенциально могут объяснить найденные ею гигантские структуры. " Следовать за данными — это хорошая наука", - говорит она.

Тем не менее, MOND - довольно спорная гипотеза, поскольку она отвергает существование темной материи - идею, которая хорошо подтверждается наблюдениями. Вместе с тем Баник подчеркивает, что не считает свою работу решением проблемы как таковой. Скорее, по его словам, она иллюстрирует, что некоторые изменения в стандартной космологической модели могут позволить ускорить процессы формирования гигантских космических структур. Баник считает, что для этого достаточно лишь слегка "подкорректировать" законы общей теории относительности, так чтобы гравитация стала чуть сильнее на расстояниях свыше миллиона световых лет, но не настолько, чтобы это повлияло на все остальное в стандартной модели, включая темную материю. Впрочем, пишет эксперт, сила гравитации на таких масштабах пока не проверялась.

Не исключено, что "менее заметная" материя может группироваться совершенно иначе, возможно, создавая крупномасштабные структуры или зияющие пустоты гораздо чаще, чем мы думаем. Если это так, то войды не такая уж редкость. (Одна из гипотез предполагает, что темная материя тянется нитями по всему космосу. Volker Springler / Институт астрофизики имени Макса Планка/Spl)

Темная материя

Если Баник ошибается, утверждая, что законы гравитация нуждаются в корректировке, то, возможно, существование супервойда Кинана-Баргера-Коуи можно объяснить путем "модификации" свойств темной материи. Стандартная космологическая модель предполагает, что темная материя "холодная", то есть медленно движущаяся и почти не взаимодействующая с обычной материей или светом, кроме как через гравитацию. Но некоторые космологи утверждают, что темная материя может быть "горячей", движущейся со скоростью, близкой к скорости света. Согласно этой модели, космические структуры растут иерархически: мелкие объекты объединяются в более крупные.

Но некоторые космологи утверждают, что темная материя может быть "горячей", движущейся со скоростью, близкой к скорости света. В таком случае темная материя должна состоять из безмассовых частиц, таких как нейтрино. При этом структуры будут формироваться в обратном порядке - начиная с гигантских образований, которые распадаются на более мелкие объекты, например, галактики. В конечном итоге это лучше согласуется с существованием мегаструктур - и войдом KBC - но хуже с результатами других наблюдений. А может быть, темная материя взаимодействует с барионной материей через неизвестную нам пятую силу природы.

"Вероятно, можно объяснить некое взаимодействие темной материи с самой собой или с барионами - ключевыми компонентами обычной материи, - которое будет способствовать образованию подобных структур", - говорит Гарри Десмонд, космолог из Университета Портсмута (Великобритания).

Есть и более удивительные идеи. Один из самых смелых вариантов - который, тем не менее, допускается в стандартной космологической модели - космические струны. Это гипотетические астрономические объекты длиной в миллиарды световых лет, при этом их диаметр значительно меньше размеров протона.

Лопес выдвинула идею, что подобные струны могут функционировать как дополнительный механизм гравитационного притяжения материи. Однако Баник говорит, что это вряд ли решит проблему, потому что, даже если такие объекты существуют, они будут большой редкостью.

Найти разгадку существования войда ВКС - задача не из легких. Натараджан говорит, что нашу существующую космологическую модель "чрезвычайно трудно опровергнуть". "Даже незначительные корректировки одного аспекта могут вызвать непредвиденные проблемы в других областях. Хотя внесение некоторых "изменений" в природу темной материи может объяснить наличие нашей пустоты, я не знаю, как это повлияет на формирование звезд, галактик или черных дыр", - говорит она.

В свою очередь, Шанкс задается вопросом, не являются ли космические пустоты на самом деле более распространенным явлением, чем мы думаем. Большая часть наших данных о структуре Вселенной основана на анализе ярких галактик, что вполне естественно, ведь именно за этими объектами легче всего наблюдать. Однако не исключено, что "менее заметная" материя может группироваться совсем по-другому, что, возможно, делает крупномасштабные структуры или зияющие пустоты более распространенными, чем мы думаем.

За последнее столетие результаты наших наблюдений за Вселенной снова и снова приводили нас к одному и тому же выводу: мы не представляем собой ничего особенного. Земля - одна из многих планет, вращающихся вокруг одной из миллиардов звезд в одной из миллиардов галактик - возможно, даже существующей в одной из многих вселенных. Но открытие войда KBC свидетельствует об обратном: возможно мы уникальны. Если мы живем в пустоте, то, пожалуй, это более необычно, чем может показаться на первый взгляд.

Необъяснимые космические мегаструктуры

Астрономы не перестают находить структуры, которые поражают своими размерами. Еще в 1989 году группа исследователей обнаружила объект CfA2 - "великую стену" из галактик, простирающуюся по меньшей мере на 500 миллионов световых лет. А в 2003 году была открыта Великая стена Слоуна - комплекс сверхскоплений галактик, протяженностью около 1,5 миллиарда световых лет. Десятилетие спустя астрофизики обнаружили самую огромную из подобных суперструктур - Великую стену Геркулеса-Короны-Бореалис размером более 10 миллиардов световых лет. Существование таких гигантов противоречит так называемому космологическому принципу, который гласит, что структуры во Вселенной не должны быть размером большее 1,2 миллиарда световых лет.

С тех пор таких случаев стало намного больше. В 2021 году Алексия Лопес из Университета Центрального Ланкашира (Великобритания) нашла огромную дугу материи (Большая Дуга) протянувшуюся на 3,3 миллиарда световых лет. А в этом году она обнаружила, что совсем рядом с этим объектом находится "Большое кольцо" диаметром 1,2 миллиарда световых лет. "Согласно существующим представлениям о строении Вселенной, вероятность обнаружения любой из этих структур должна быть невелика, а найти сразу две так близко друг к другу - еще более маловероятно. Мы должны подумать о том, на что могут намекать эти структуры, а не просто отмахиваться от них как от статистических аномалий", - говорит Лопес.

На иллюстрации показано, как выглядели бы на небе Большое кольцо (синий цвет) и Гигантская дуга (красный цвет), если бы они были видны с Земли / Изображение представлено Университетом Центрального Ланкашира

Не исключено, что результаты некоторых из этих наблюдений могут быть ошибочными. Комментируя выводы Лопеса, астроном Томас Шэнкс из Даремского университета (Великобритания) считает, что это наблюдение весьма интересно, но при этом предупреждает, что наш мозг "очень быстро формирует в сознании такие формы, как кольца".

Однако если предположить, что эти мегаструктуры реальны, то факт их существования противоречит стандартной космологической модели, которая утверждает, что такие массивные формы в принципе невозможны. А если это так, то, вероятно, наша модель Вселенной нуждается в корректировке.