Крупномасштабная структура Вселенной

  .

Распределение галактик во Вселенной, полученное в результате расчета на суперкомпьютере по модели с холодной темной материей

        Уже в начале XX века было известно, что звезды группируются в звездные скопления, которые, в свою очередь, образуют галактики. Позже были найдены скопления и сверхскопления галактик. Разумно было бы предположить, что эта иерархия распространяется дальше на сколь угодно много уровней, но в 1990-х было выяснено, что на масштабах порядка 1 млрд.св.лет (300 мегапарсек  или около 3% от размера Метагалактики — видимой части вселенной, 1 пс = 3.26 св.г. — расстояние, с которого орбита Земли видна под углом 1’’, 1 св.г.=9.46*1017 см, орбита Земли = 0.000032 св.г., орбита Плутона = 0.0013 св.г.) Вселенная практически однородна.
        По современным представлениям, Вселенная представляет собой совокупность довольно плоских "листов", разделенных областями, в которых практически нет светящейся материи. Эти области (пустоты, voids) имеют размер порядка сотни Мпс. Первым наблюдаемым листом стала Великая Стена (проходит длинной дугой через южные созвездия Гидры–Центавра–Телескопа–Павлина–Индейца), находящаяся в 200 млн.св.лет и имеющая размер около 500 млн.св.лет и толщину всего 15 млн.св.лет.
        Вопрос о ячеистой структуре Вселенной впервые был поставлен в 1970-х Яаном Эйнасто и его сотрудниками (Тартуская обсерватория, СССР). Впоследствии выяснилось, что самая крупномасштабная структура Вселенной действительно представляет собой ячейки различного размера, составленные из галактик и их систем. Галактики и их скопления концентрируются в своего рода изогнутых "стенках" толщиной порядка 10 млн.св.л., пересекающихся друг с другом. Некоторые "стенки" прослеживаются на сотни миллионов световых лет. Там, где стенки "смыкаются", галактик особенно много (сверхскопления). Внутри ячеек, между стенками, находятся пустоты (их называют "войды" от "void" — "пустое место"), в которых плотность галактик как минимум вдесятеро меньше, чем в среднем. Некоторым аналогом такой структуры может служить пена из мыльных пузырей. Правда, распределение галактик вдоль "стенок" ячеек, в отличие от распределения мыльного раствора в пузырях, очень неоднородно, да и сами ячейки не обладают правильностью форм. Формирование подобной мегаструктуры тесно связано с природой невидимой темной материи, которая составляет основную массу Вселенной. В цепочках галактик во Вселенной вероятнее всего преобладают частицы так называемой горячей темной материи (вроде массивных нейтрино), а не холодной темной материи (такие как аксионы, или другие гипотетические частицы).
        Карта Вселенной, созданная в 2003 в проекте Sloan Digital Sky Survey, содержит 200 тысяч галактик на расстоянии свыше двух миллиардов световых лет на участке неба площадью 2400 квадратных градусов. Был использован телескоп в Нью Мехико, оптимизированный для записи спектра от множества галактик одновременно. Одна из основных особенностей карты — "Великая стена Sloan" длиной около 1,37 млрд.св.л. (5% от размера Метагалактики) — самая большая наблюдаемая сегодня структура во Вселенной. В сочетании с данными других телескопов, таких как Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), новые наблюдения Sloan помогли уточнить несколько основных астрономических постоянных: постоянная Хаббла — 0,70 с погрешностью около 0,04; доля вещества во Вселенной (в энергетическом эквиваленте) — 30% с точностью до 4%; верхний предел массы нейтрино 0,6 эВ; возраст Вселенной — около 14,1 миллиарда лет с точностью до 1 миллиарда.

На APM-карте (Automatic Plate Measuring), построенной по результатам автоматического поиска галактик, осуществленного в начале 1990-х годов, в области размером 100 градусов находятся более 2 миллионов галактик. В центре области — южный полюс Галактики Млечный Путь. В ярких областях находится больше галактик, а голубым цветом отмечены места расположения галактик, чьи размеры больше средних. Из карты вырезаны области неба с очень яркими близкими звездами. Эти места соответствуют черным эллипсам.

Изображение скопления Абель 2218 получено с помощью Космического телескопа им. Хаббла. Скопление очень массивное и компактное, и его гравитационное притяжение отклоняет и фокусирует свет, испущенный галактиками, которые находятся за ним. Поэтому множество изображений далеких галактик искривляются в тонкие дуги. Это явление называется эффектом линзирования.

    Местное сверхскопление галактик (МСС, Сверхскопление Девы) принадлежит в другой "стенке" и представляет систему галактик размером около 200 млн.св.лет, включающую Местную группу галактик, скопление галактик в Деве (доминирующее центральное скопление, открыто в 1950-х американским астроном Жерар де Вокулером) и несколько других скоплений и групп галактик. В состав МСС входят 100 групп и скоплений галактик и около 30 тысяч галактик; его масса по порядку величины 1015 масс Солнца. Поскольку его светимость слишком мала для такого количества звезд, считается, что на большую часть массы сверхскопления приходится масса темной материи. МСС в целом притягивается к гравитационной аномалии под названием Великий аттрактор, которая расположена рядом со скоплением Наугольника.
    Первое описание МСС принадлежит Джону Гершелю. В 1864 году он опубликовал компилятивный список всех известных туманностей. General Catalogue содержал 4630 объектов, открытых отцом Вильямом и сыном Джоном Гершелями, и только 450, обнаруженных другими исследователями. Концентрация туманностей в созвездии Девы сразу бросается в глаза. Треть всех туманностей, не связанных с Млечным Путем, находится всего в одной восьмой части неба. Д. Гершель предположил, что туманности образуют сферическую систему с центром в созвездии Девы. Наша Галактика является одним из ее периферийных членов. Распределение галактик далеко от однородного; из центрального ядра тянутся ветви или "протуберанцы"' и Галактика лежит в одном из них.
         МСС — характерный пример крупномасштабной структуры Вселенной. Оно является уплощенным образованием, состоящим из нескольких цепочек галактик (филаментов), которое в проекции на небо выглядит как охватывающая весь небосвод полоса, в пределах которой наблюдается большинство ярких галактик. Впервые эту особенность в распределении объектов ночного неба обнаружил великий астроном Вильям Гершель еще в конце 18 века, затем ее несколько раз переоткрывали, пока, наконец, в 1953 году к ней не привлек внимание Жерар де Вокулер (Gerard de Vaucouleurs, США). В отличие от скоплений, сверхскопления галактик не являются гравитационно-связанными структурами, они принимают участие в общем расширении Вселенной, поэтому расстояния до объектов Местного сверхскопления можно измерять с помощью закона Хаббла.
          Подробные карты МСС опубликованы в 1982 (Brent Tully, США). Координата x лежит в плоскости МСС, координата z направлена перпендикулярно этой плоскости, мы находимся в начале координат. Символ h=0.7 обозначает обезразмеренное значение постоянной Хаббла (H=100h км/с·Мпк). Как видно из карты, подавляющее большинство галактик (60%) находятся в узком слое толщиной всего около 10 млн.св.лет вблизи плоскости Сверхскопления. Большая концентрация галактик вблизи центра — скопление Девы. Лишь 40% галактик расположены вне плоскости МСС. При этом 98% галактик МСС принадлежат 11 облакам, суммарный объем которых не превышает 5% объема всего МСС. Некоторые из этих облаков показаны на карте. Если принять скопление Девы за центр циферблата, то часовая стрелка в 2 часа укажет на облако галактик в созвездии Дракона, в 3 часа — на облако в Большой Медведице, в 5 часов — на облако в созвездии Льва, в 7 часов — на облако в южном созвездии Чаши, в 9 часов — на облако в Деве (наблюдаемое непосредственно за скоплением Девы) и, наконец, в 11 часов — на еще одно облако, наблюдаемое в направлении созвездий Девы и Весов. Интересно, что все эти облака вытянуты в направлении скопления Девы, что объясняется, вероятно, приливным действием этого массивного образования.
   Местная группа (МГ) — группа галактик, включающая около 30 галактик, среди которых выделяются три спиральные галактики, а именно Туманность Андромеды (M31), Млечный Путь и галактика Треугольника (M33), окруженные спутниками, такими как Большое и Малое Магеллановы Облака. Доминирующими в группе являются Туманность Андромеды и Млечный путь. В поперечнике МГ составляет порядка 3.3 млн.св.лет. При рассмотрении движения основной массы МГ нельзя игнорировать ни одну из близких галактик. В силу того, что сила притяжения зависит от квадрата расстояния, основной вклад вносят именно близкие галактики несмотря на их небольшие массы. Любопытно, что пять из восьми самых ярких галактик лежат в зоне избегания, они настолько близки и ярки, что их свет пробивает завесу. Эти галактики принадлежат к группам Центавр A и IC342/Maffei, близких соседей нашей МГ. МГ вместе с другими близкими галактиками участвуют в совместном движении к центру МСС с относительными скоростями порядка 250 км/с.

    Великий аттрактор (ВА). Простые измерения космического фонового излучения, являющегося остатком от Большого Взрыва, показали 180 градусную асимметрию, известную как диполь. Она проявляется в нагреве на 0.1% космического фонового излучения по сравнению со средним в одном направлении и в таком же охлаждении в противоположной стороне. Эти измерения были подтверждены исследованиями на спутнике Cosmic Background Explorer в период с 1989 по 1990, свидетельствующими о том, что МГ движутся со скоростью около 600 км/с в направлении созвездия Гидра. Это направление было получено после поправки за все известные движения, как то: вращение Солнца вокруг центра Галактики и движение нашей Галактики по направлению к ее соседке, спиральной галактике Андромеда. Затянувшееся разногласие между направлением на диполь и ожидаемым вектором скорости вынудили астрономов вводить "аттракторы".

В направлении на Великий Аттрактор небо пестрит галактиками подобно сверканию горсти ювелирных камней. Изображенные на картинке галактики входят в состав скопления ACO 3627 (скопление Норма).         Одна исследовательская группа, позднее упоминавшаяся как "Семь Самураев", использовала движения сотен галактик для заключения о существовании ВА. МГ, по-видимому, поймана в космическое состязание между ВА и находящемся на таком же расстоянии сверхскоплении Персей—Печь. Для того чтобы узнать, которое из них выиграет это гравитационную войну астрономам надо выяснить массу скрытых частей этих структур.
        Наблюдение ВА затруднено тем, что он находится в "зоне избегания", закрытой от наблюдения плоскостью Млечного пути, — в скоплении галактик Abell 3627. Расстояние до ВА оценивается примерно в 200 млн.св.лет. Масса — порядка 5*10¹⁶ солнечных масс, но масса видимого вещества в той области, по меньшей мере, в 10 раз меньше. Считается, что основную массу составляет темная материя.
    Водородный лес Лайман-альфа. Мы живем в лесу. По всей Вселенной разбросаны "деревья" водорода, который поглощает свет от далеких объектов. Эти газовые облака оставляют многочисленные линии поглощения в спектрах далеких квазаров. Совокупность этих линий и называется лес Лайман-альфа. Свет от далеких квазаров поглощается большим количеством облаков Лайман-альфа, чем близкие квазары. Это говорит о том, что в ранней Вселенной существовали "заросли" Лайман-альфа. Многое еще неизвестно о лесе Лайман-альфа, в том числе действительная геометрия и протяженность облаков, а также почему так много облаков насчитывается сегодня.
Расчитанное с помощью компьютера распределение облаков Лайман-альфа на красном смещении, равном 3, ребро куба имеет длину 30 млн.св. лет.     Квазары. В самом начале 60-х несколько практически точечных радиоисточников были отождествлены на фотографиях со звездообразными объектами. Однако их спектры абсолютно не были похожи на спектры звезд. В них не удавалось отождествить ни одной спектральной линии. Впервые в 1963 это сумел сделать американский астрофизик М. Шмидт. В спектре объекта 3С 273 (3С обозначает 3-й кембриджский каталог радиоисточников) он отождествил несколько линий с линиями водорода, предположив, что они смещены в красную сторону на 16%. Как говорят, красное смещение этого объекта z, равно 0.16. Если считать, что красное смещение этого источника, как и красное смещение галактик, имеет космологическую природу, т.е. определенная по красному смещению скорость объекта пропорциональна расстоянию до него (скорость при красном смещении z<1 равна произведению скорости света на красное смещение источника: zc=v=rH; при z>1 используется формула, учитывающая релятивистские эффекты), то мы получаем расстояние до 3С 0.89—2.06 млрд.св.лет (в тысячу раз дальше, чем М31 — туманность Андромеды). Светимость этого загадочного источника в этом случае равна 1045 эрг/сек, что больше светимости всех звезд нашей Галактики и М31 вместе взятых. Но это еще не все. Источник оказался сильно переменным, а из относительно небольшого периода изменения блеска следовало, что вся энергия выделяется в области с размером около 0.03 св.г. (нельзя "договориться" о переменности в большой области за короткое время, т.к. "договариваться" можно не быстрее скорости света).
М31 — Туманность Андромеды         Впоследствии было открыто множество таких источников, получивших название квазизвездных объектов или квазаров. Сейчас известно уже около 10000 квазаров. Самый близкий из известных квазаров имеет красное смещение примерно z=0.16, а самый далекий z около 6. Мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад, когда Вселенная была совсем молодой.
        Для квазаров характерны огромные, порядка 10⁴⁵—10⁴⁹ эрг/сек, светимости, малые размеры области выделения энергии и огромные расстояния от Земли. Не столь характерной чертой квазаров оказалась большая светимость в радиодиапазоне: примерно 80—90% квазаров относится к так называемым "радиоспокойным".
Важным открытием явился факт нормального, близкого к солнечному, химического состава некоторых квазаров. Ведь учитывая, что далекие квазары в несколько раз моложе нашей галактики, это не выглядит столь очевидным. Т.к. элементы тяжелее гелия не образовались в ранней Вселенной, а появились только в результате жизнедеятельности звезд. Другим до конца непонятым фактом является избегание квазарами богатых скоплений галактик.
        То, что квазары являются активными ядрами (АЯ) галактик теперь уже экспериментальный факт. Вокруг некоторых квазаров были открыты слабые оболочки. Оказалось, что они имеют звездный спектр, т.е. квазары находятся внутри галактики. Было обнаружено излучение нейтрального водорода от некоторых квазаров. Вблизи одного квазара была зарегистрирована вспышка сверхновой. Окончательным доказательством того, что квазар находится внутри галактики, служат их одинаковые красные смещения.
        Квазары роднятся с другими типами активных галактик, поэтому механизм "центрального реактора" в них, видимо, такой же как и у других галактик с АЯ. Возможно что эволюционируя, "реактор" квазаров превращается затем в "реактор" сейфертовских галактик. Сейчас является установленным фактом то, что раньше квазаров было больше, а потом они, как динозавры, вымерли. Как и сейфертовские галактики, квазары часто бывают связаны с взаимодействующими галактиками: на полученных изображениях далеких квазаров видно, что форма галактики, внутри которой расположен квазар, в некоторых случаях искажена.
Эта галерея портретов квазаров, полученных Космическим телескопом Хаббла, позволяет увидеть их ближайшие окрестности: сами квазары выглядят как яркие звездообразные объекты с дифракционными крестами. Изображения в центральной и правой колонках показывают квазары, связанные с разрушенными сталкивающимися и сливающимися галактиками, в которых должно быть достаточно вещества, чтобы подпитывать голодную черную дыру.         У некоторых квазаров наблюдаются джеты. Поэтому, также как у галактик с АЯ, модель квазара должна объяснять присутствие этих струй. Из упомянутых выше моделей наибольшее распространение получили те, в которых фигурирует сверхмассивная черная дыра с массой 10⁶—10¹⁰ масс солнца. Аккреция хорошо объясняет и энерговыделение, и спектры, и образование выбросов, и другие особенности квазаров и АЯ. Кроме того, модели, использующие компактное (10⁸ О-звезд в 1 пк³) звездное скопление или сверхмассивное плазменное тело (сверхзвезда, магнетоид, спинар), приводят затем к образованию той же сверхмассивной черной дыры. Такие черные дыры возможно обнаруживают себя по косвенным свидетельствам у галактики М87 и у одного из спутников туманности Андромеды (по высоким скоростям движения звезд и по высокой плотности звезд в самом центре галактик). Также наличие черной дыры можно установить по наблюдению движений звезд в центрах галактик.
        Энергия квазара по-видимому выделяется при падении газа в мощном гравитационном поле черной дыры. Но черная дыра может "питаться" и звездами. Наиболее эффективно этот процесс протекает, если звезды разрываются приливными силами, а на черную дыру падает газ, образованный в результате разрушения звезд. Однако, если масса черной дыры превосходит примерно 10⁸ масс солнца, то звезда поглощается не разрываясь. Тогда не должны наблюдаться яркие эмиссионные линии в спектре ядра галактики. Возможно, что в этом случае образуется не обычный квазар, а объект другого типа — лацертида. Первые лацертиды, названные так по имени первого представителя этого класса, BL Lac, были открыты благодаря своей сильной переменности и долгое время считались обычными переменными звездами. Сейчас известно около 100 подобных объектов, и они относятся к галактикам с АЯ.
        Самым характерным свойством лацертид является отсутствие ярких эмиссионных линий, свойственных другим галактикам с АЯ. Кроме того, их излучение сильно (на 30—40%) поляризовано (такие лацертиды, а также квазары с сильно поляризованным излучением называют блазарами). Столь сильная поляризация говорит о синхротронной природе излучения. Блеск лацертид изменяется в десятки раз с характерными периодами от недель до месяцев. Это сразу накладывает ограничения на размер излучающей области: R<0.01 св.г.
        Квазары, будучи самыми мощными и самыми далекими из всех наблюдаемых источников во Вселенной, являются также и одними из самых загадочных объектов. Возможно, их исследование может привести не только к замечательным открытиям в астрофизике, но и в фундаментальной физике.