Структура Вселенной: от сверхскоплений до темной материи. Часть 2⁠⁠

Часть первая здесь: https://pikabu.ru/story/_6112513

Почему Вселенная плоская: важность масштаба

Расширение Вселенной заметно только на больших масштабах: она раздувается в разные стороны все сильнее и сильнее, но на малых масштабах мы не можем этого измерить. Расстояние между нами и, например, ближайшими к нам объектами не увеличивается в связи с расширением мира. В зависимости от того, на каком приближении мы изучаем Вселенную, удивительным образом меняются ее свойства. Например, если мы рассматриваем ее на уровне галактик и скоплений галактик, вполне предсказуемо, что пространство искривляется различными тяжелыми объектами: звездами, черными дырами, самими галактиками и даже небольшими планетами и их спутниками. Степень искривления пространства зависит от массы объекта. Но если мы будем смотреть на Вселенную как будто очень издалека, так, что одна галактика будет казаться крошечной точкой-пикселем на трехмерной карте, то окажется, что на таком масштабе Вселенная плоская — в том смысле, что можно построить треугольник между этими далекими точками и он не будет искривлен, в нем будет 180 градусов, а кривизна — 0. С другой стороны, на маленьких масштабах Вселенная кажется заполненной видимым веществом неоднородно: где-то его больше, а где-то почти нет (это так называемые войды, или пустоты). Но опять же, если смотреть на нее сильно издалека, окажется, что барионное вещество распределено более-менее равномерно.

Hubble Ultra Deep Field — снимок «Хаббла». Справа — увеличенное изображение галактики в разных диапазонах

Темная энергия начинает наблюдаться на масштабах примерно 30 миллионов световых лет — на таких масштабах еще гравитационно взаимодействуют скопления галактик. Скопления включают в себя десятки тысяч галактик, и, по идее, они должны притягиваться друг к другу. Некоторые скопления сливаются в сверхскопления, а некоторые не успевают этого сделать, потому что пространство растягивается и они удаляются друг от друга. Нам может казаться, что мы видим сверхскопление, но на самом деле входящие в него скопления постоянно удаляются друг от друга, и сила, воздействующая на них, сильнее, чем сила гравитации. На наших земных масштабах мы не можем этого ни увидеть, ни измерить, но можем оценить будущее состояние по скоростям движения галактик в скоплениях. Изучить темную материю мы можем, а темную энергию — пока нет. Темную материю ищут на Земле уже много лет, но пока безуспешно, но часть ее свойств хотя бы удалось измерить. Спутник Европейского Космического агентства Gala измерил свойства и физические параметры миллиарда звезд в нашей Галактике, в том числе и их движение. По этим движениям удалось восстановить скорость обращения звезд вокруг центра Галактики и обнаружить присутствие темной материи. По первым оценкам ее было примерно в два раза больше, чем видимой. По сравнению с другими галактиками это соотношение мало. Но это же говорит в пользу того, что темная материя не является отражением изменения закона Ньютона, то есть не работает гипотеза, что этот закон не действует на больших расстояниях. Такие попытки объяснения явления делаются в описании с помощью модифицированной ньютоновой динамики. Но если бы она работала правильно, то для всех объектов соотношение между видимой и темной материей было бы одинаковым, а оно разное в разных уголках Вселенной. Но в среднем темной материи примерно в 5,5 раз больше, чем видимой, причем как на малых масштабах (галактики), так и на крупных (скопления галактик). Эти цифры согласуются и с данными реликтового излучения.

Первые же наблюдения реликтового излучения показали, что Вселенная должна быть плоской. Имелось в виду, что сумма всех энергий, вещества и излучений, то есть их относительная плотность по отношению к критической, равна единице. Сейчас это измерено с точностью до четвертого знака после запятой. В 1992 году был запущен спутник СОВЕ, на нем работали три программы. Руководители двух из них, Джордж Смут и Джон Мазер, получили Нобелевские премии. Была построена карта неоднородностей реликтового излучения. По данным карты можно понять кривизну Вселенной. Форма пятен реликтового излучения при разной кривизне Вселенной разная (форма пятен довольно грубый образ, скорее лучше сравнивать параметры плотности). При этом с невысокой точностью (до первого знака после запятой) уже было известно, что Вселенная плоская, и отсюда возникал такой своеобразный парадокс, что во Вселенной должен быть еще какой-то компонент, делающий ее плоской, который и был впоследствии найден и назван темной энергией. Сегодня мы про плоскостность мира знаем уже до четвертого знака после запятой — это очень высокая точность.

Когда у нас есть теоретическое представление о чем-то, его обычно хочется подтвердить. Но есть люди, которые стараются его опровергнуть, и часто им это удается. Когда-то и модель Lambda-CDM стала опровержением для предшествующей. И поэтому понятие Стандартной модели зависит от эпохи развития астрономии. Текущая модель не меняется уже около двадцати лет, с того момента, как было открыто ускоренное расширение Вселенной. За это открытие Перлмуттер, Рисс и Шмидт получили Нобелевскую премию.

Космический телескоп Европейского космического агентства Gala, выведен на орбиту 19 декабря 2013 года, чтобы составить подробную карту распределения звезд в Млечном Пути.

Итак, темная материя темная потому, что она не взаимодействует электромагнитно. Ее состав пока неизвестен. Возможно, он какой-то комбинированный, но, скорее всего, она состоит из частиц. Мы знаем об этом потому, что нам известно о взаимодействиях между скоплениями галактик, которые прошли друг сквозь друга, причем в них провзаимодействовала плазма: массы межгалактического газа зацепились друг за друга, а искривление пространства ушло дальше (это явление в известном скоплении Пуля). Искривление пространства — это искажение формы галактик, которые находятся позади данного скопления. По нему удалось измерить реальную массу. Когда это сделали, стало понятно, что два облака темной материи прошли друг сквозь друга и отделились от газа, который следует за ними (как мы помним, темная материя притягивает видимое вещество). Это удалось заснять на телескопе Хаббл. Температура газа была измерена по рентгеновскому излучению, а по искривлению пространства в оптическом диапазоне измерена реальная масса, которая там есть.

Есть разные кандидаты в темную материю. Не так давно отрицалось, что ими могут быть черные дыры, но сейчас и они, только маленькие, стали опять рассматриваться на эту роль. Большие черные дыры — это в основном барионная материя. Они состоят из видимого вещества, кроме тех черных дыр, что дожили с самой ранней эпохи существования Вселенной — когда в первые мгновения, доли секунды, из темной материи можно было собрать эти первичные черные дыры. Впоследствии они могли бы поглотить немало видимой материи. В качестве кандидатов на роль темной материи предлагались так называемые MACHO-объекты — маленькие массивные объекты вроде коричневых карликов или нейтронных звезд. Оказалось, что их слишком мало, чтобы объяснить ее наличие во Вселенной. Если бы их было достаточно, мы бы видели эффект мерцания при прохождении света через эти объекты. Но мы не находим его в том количестве, в котором нужно. Хотя некоторые ученые не хотят окончательно отбрасывать эту гипотезу и утверждают, что состав темной материи смешанный и в нем есть след таких MACHO-объектов.

Я считаю, что это просто частицы, а не черные дыры. Но всегда найдутся несогласные, которые будут доказывать, что раз мы нашли черные дыры необычных масс, то это точно первичные черные дыры и их может быть больше, а соответственно, они вносят свой вклад. Необычная масса для черной дыры — это порядка 29–36 масс Солнца. И часть из них может быть кандидатами на темную материю. Кроме того, есть идея, что темная материя не просто холодная, а представляет собой смесь теплого и холодного вещества. Теплая материя имеет частицы большей энергии, и они могут двигаться с большими скоростями, а частицы холодной материи двигаются со скоростью от нескольких километров до 10 тысяч километров в секунду — это небольшие скорости, нерелятивистские. Те частицы, которые двигаются со скоростью до сотен тысяч километров в секунду, уже теплые. Но это тоже одна из версий. Пока у нас нет однозначных подтверждений, ее сложно проверить. Но эта идея не противоречит крупномасштабной структуре Вселенной, которая начинается с маленьких образований. И мы предполагаем, что эти вакуумные неоднородности связаны с темной материей и должны были выжить в самые ранние, самые первые моменты, и тогда позднее из них выросли структурные компоненты Вселенной. Если мы говорим, что темная материя релятивистская, то тогда все эти образования должны были разрушаться. И это дает ограничения на первичную энергию частиц, которую потом проверяют по получившимся массам.

Компьютерная модель черной дыры

Степень искривления пространства объектом определяется массой этого объекта. Мы можем легко представить себе этот процесс в двухмерном мире, а в трехмерном это сделать сложно. Чтобы увидеть искривление в трехмерном пространстве, нужно смотреть на него из четырехмерного, что для нас невозможно. Чем больше масса объекта, тем сильнее он искривляет пространство. Для черных дыр этот «провал» вообще будет бесконечным, они искривляют пространство до непредставимой глубины, и мы не знаем, что там происходит. Там должна работать квантовая гравитация, но описывающей ее теории не существует. Все вещество должно сжиматься в точку, но формулы для этого случая нет.

Самый тяжелый объект в нашей Вселенной — это сама Вселенная. Если не брать ее в расчет, то это сверхскопления. Черных дыр в галактиках значительно меньше, чем видимого вещества, хотя они из него и образуются. Масса галактики и масса ее центральной черной дыры соотносятся примерно как 1 к 1000. Поэтому с точки зрения формирования крупномасштабной структуры это не очень интересные объекты. А скопления галактик достигают 10^15 масс Солнца и размеров десятки миллионов световых лет.

Что произойдет со Вселенной в будущем

Скопления галактик — это довольно неустойчивые образования по сравнению, например, с Солнечной системой. Скопление Девы, на окраине которого мы живем, еще формируется, по сути: галактики летают в нем в основном хаотично, но внутри гравитационного колодца. В скоплениях пространство искривляется большой массой всего объекта, и поэтому в них нет такой стабильности, как в Солнечной системе, где есть центральный доминирующий объект, или даже в нашей Галактике.

Хотя и в скоплениях галактик есть центральная гигантская эллиптическая галактика. Галактики в скоплениях не заняли и не займут строго отведенного им места и орбиты, потому что их разделяет слишком много световых лет. Скопления галактик постоянно находятся в процессе формирования, но, похоже, так и не сформировываются до конца. Они стабильны в том смысле, что удерживаются взаимным притяжением и массой всего скопления, но не зафиксированы, как в стандартной системе, с постоянными орбитами.

Сверхскопления галактик — это набор скоплений, находящихся недалеко друг от друга или, например, прошедших друг через друга, как в скоплении Пуля. Это не динамические связанные системы, в отличие от простых скоплений. И участники сверхскоплений никогда не сольются и не объединятся, так как они удаляются друг от друга из-за расширения Вселенной. А динамические связанные скопления, напротив, продолжаются сближаться и сливаться. Некоторые из них образуют так называемые стены. Представление о стенах было очень популярно около тридцати лет назад, но сегодня понятно, что это просто крупные образования из групп галактик, а не что-то, что разделяет нашу Вселенную.

Грубо говоря, сейчас объекты местной группы, в которую входит наша Галактика, стремятся к некоему центру с определенными скоростями, то есть постепенно сближаются друг с другом. Можно было бы сказать, что однажды все участники местной группы сольются в один объект, но из-за взаимодействия с другими галактиками и влияния темной энергии этот прогноз осуществится нескоро. Но еще до этого неочевидного момента Млечный Путь сольется с Андромедой, и две спиральные галактики образуют эллиптическую. Она будет еще несколько десятков миллиардов лет летать в скоплении галактик, пока темная энергия все не разнесет (если придерживаться популярной гипотезы). На уровне скопления тоже присутствует центр, который обнаруживается благодаря большей массе и по отношению к которому двигаются все или почти все галактики местной группы. Местная группа движется в направлении скопления Девы, которое, в свою очередь, принадлежит сверхскоплению Ланиакея. А большая часть скоплений галактик тем временем удаляется друг от друга из-за расширения Вселенной.

Туманность Андромеды, ближайшая к Млечному Пути крупная галактика. Сначала считалось, что туманность — часть Млечного Пути, но благодаря Эдвину Хабблу стало понятно, что она находится слишком далеко от нас, чтобы быть частью нашей Галактики. Отсюда стало понятно, что другие галактики в принципе существуют и Млечный Путь не единственная упорядоченная звездная система во Вселенной.

Насчет будущего нашей Вселенной существует несколько теорий. Если мы предполагаем, что Вселенная расширяется ускоренно, то в конце концов не останется ничего, даже нашей Галактики. Мы даже не успеем это пронаблюдать: если сигнал идет до нас со скоростью света, то, когда он до нас дойдет, нас самих уже не будет.

Но мы не знаем, что будет в дальнейшем с темной энергией. Нам известно, что притяжение внутри скопления галактик сейчас сильнее этой темной энергии. И если оставить Вселенную без изменений, дать ей расширяться с одинаковой скоростью, а не ускоренно, то наше скопление так и останется условно неизменным на долгое время. Мы знаем это с точностью до 2%. Эту информацию дает один из параметров темной энергии — квинтэссенция (пятая сущность или пятая сила), описывающая в уравнении состояния динамически меняющееся скалярное поле. Его используют для описания одной из форм или моделей темной энергии. И если ее значение оказывается меньше минус единицы, то это особый случай квинтэссенции — так называемая фантомная энергия, которая может разорвать всю Вселенную из-за огромного давления темной энергии. Но мы пока не знаем этого наверняка.

С расширением Вселенной большая часть ее объектов однажды уйдет за пределы нашей видимости, за горизонт событий. Некоторые области удаляются от нас быстрее скорости света, и свет от них до нас просто не может дойти. Есть те области, которые уже ушли за горизонт, но свет от них, как и фотоны реликтового излучения из очень далеких областей, до нас все же дошел, и мы его сейчас видим.

Самый простой способ объяснить, что происходит при расширении Вселенной, — это использовать образ пирога с изюмом. Изюминки — скопления галактик. Когда этот пирог нагревается в печке, он поднимается, раздувается, и везде это происходит с одинаковой скоростью. Тогда если мы мысленно поделим этот пирог на равные участки и остановимся на одном, то ближайший к нему будет удаляться с определенной скоростью, второй от него — в два раза быстрее, третий — в три и так далее. И если у нас много таких участков, то есть пирог очень большой, то однажды мы дойдем до того, что они будут удаляться от нашего со скоростью света. При этом сами изюминки с такой высокой скоростью не движутся, а пирог раздувается.

Но Вселенная расширяется, и все больше галактик уходит за горизонт, и однажды наша местная группа останется в одиночестве. А однажды и его части тоже начнут удаляться друг от друга под действием темной энергии.

Источник