Разорванная Вселенная

[agnus_dei_8]

Пишет alex_anpilogov (
alex_anpilogov)
http://alex-anpilogov.livejournal.com/110333.html




На изображении в заглавии статьи - одна из наиболее полных карт нашей Вселенной. Каждая точка на ней - это отдельная галактика, столь же огромная, как и сам наш Млечный Путь. Тёмная зона на галактическом экваторе - артефакт нашего собственного местоположения: мы можем видеть галактики в экваториальном секторе неба только в узком промежутке от 120° до 240°, да и то - плохо, в силу того, что галактический экватор плотно забит звёздами и межзвёздным газом нашей собственной галактики Млечный Путь, который и поглощает излучение далёких галактик.
В силу этого, в сторону ядра нашей галактики мы вообще не ничего не видим, а в противоположную сторону, которая закрыта от нас только неплотным рукавом Персея, мы можем всё-таки кое-что рассмотреть. А вот к галактическому северу и галактическому югу у нас есть возможность обозревать Вселенную на миллионы и миллиарды световых лет.



Однако даже такой несовершенный «наблюдательный пункт» уже преподнёс нам массу сюрпризов, касающихся мегаструктуры нашей Вселенной - различных неоднородностей, которые превосходят размер нашей собственной галактики в сотни тысяч и в миллионы раз.
И которые нарушают массу космологических концепций, устоявших в ХХ веке, даже на фоне массы фундаментальных потрясений для космологии, которые перевели бесконечную и устойчивую Вселенную XIX века во «Вселенную Большого взрыва» века ХХ-го.
И пересмотр этих космологических концепций, основанный на новых открытиях, обещает стать не менее интересным шагом в познании, нежели стало открытие красного смещения, расширения Вселенной и победа модели Большого взрыва, как «начала всех начал».


Во-первых, стоит определиться в том вопросе, что в настоящий момент времени теория Большого взрыва является не просто некоей удобной абстракцией, а и, пожалуй, единственной моделью, которая может объяснить наблюдаемую картину нашей с вами Вселенной.
То есть - это не блажь учёных, которые решили таким образом прикрыть своё непонимание колоссально удалённых от нас событий. Учёные в настоящий момент просто не могут придумать модель, которая бы лучше объясняла массу наблюдаемых эффектов, которые нас окружают. Как и не могут найти опровержений, которые бы подорвали саму модель существования Большого взрыва в прошлом нашей собственной Вселенной.



Большой взрыв, как неизбежность.

Доказательства расширения Вселенной начались с момента, когда молодой американский астроном Эдвин Хаббл, которому в 1919 году исполнилось всего 30 лет, получил доступ к самому мощному на то время оптическому телескопу обсерватории Маунт-Вилсон - телескопу Хукера, с диаметром зеркала всего лишь в 2,5 метра.

Первым открытием Хаббла, которое поставило «с ног на голову» всю спокойную космологию XIX века, было открытие звёзд-цефеид в туманностях Андромеды и Треугольника, которые тогда ещё никто не воспринимал, как отдельные от Млечного Пути галактики.
С помощью телескопа обсерватории Маунт-Вилсон Хаббл нашёл в этих туманностях цефеиды - переменные звёзды главной последовательности, которые обладают очень чёткой зависимостью между периодом колебания яркости и собственной светимостью звезды.
В силу такой интересной особенности цефеиды являются идеальными «стандартными свечами» и космическими маяками: по периоду пульсации звезды можно легко определить её абсолютную звёздную величину, а померяв её наблюдаемую звёздную величину - уже можно легко определить расстояние до выбранной цефеиды.
Ну а громадная светимость этих переменных звёзд (103-105 светимостей Солнца) позволяет наблюдать их даже на межгалактических расстояниях.



Галактика Андромеды. 1 триллион звёзд, впятеро большая масса, нежели у Млечного Пути. Но в XIX веке - просто «туманность М31», так как никто её не воспринимал, как отдельную галактику.

Именно это и выяснил Хаббл после наблюдений 1922-23 годов: найденные им цефеиды показали, что туманности Андромеды и Треугольника были слишком далеки, чтобы быть частью Млечного Пути, и являлись в действительности отдельными галактиками за пределами нашей собственной.
Эта идея была оспорена очень многими учёными того времени, которые заподозрили Хаббла в подтасовках или же в неправильной методологии наблюдений - настолько идея о множественности галактик была революционной для начала ХХ века. Но, вопреки оппозиции, Эдвин Хаббл, на ту пору 35-летний учёный, представил свои открытия в печатном виде на собрании Американского астрономического сообщества 1 января 1925 года и убедительно доказал: галактик много и Млечный Путь - отнюдь не единственная и совсем не самая большая из них.
Это открытие фундаментальным образом изменило научное видение Вселенной.

Однако Хаббл не остановился на достигнутом и пошёл дальше, раздвигая границы наблюдаемой Вселенной: уже в 1929 году он опубликовал свои работы о наблюдаемом красном смещении наиболее ярких галактик. Именно по величине красного смещения и визуализирована, кстати, самая верхняя «карта Вселенной».
В результате своих наблюдений Хаббл заметил, что каждая галактика, в среднем, улетает от каждой другой галактики. Вселенная расширяется - постоянно, повсюду и каждый день. Этот факт уже не просто расширял представление человечества о Вселенной, помещая нас в одну из заурядных галактик - он просто ставил всю картину мироздания «с ног на голову». На протяжении столетий наблюдений за звёздами основным допущением астрономов и философов было то, что на Земле может происходить масса скоротечных и разнонаправленных процессов, в то время, как звёздное небо - вещь постоянная и неизменная.
Да, взрываются сверхновые звезды, да, планеты продолжают свой бег, да, цефеиды мерцают в ночном небе, но в целом Вселенная два столетия назад удивительно похожа на Вселенную сегодня.
И, как следствие, Вселенная два миллиона лет назад, двести миллионов лет назад или миллиарды и миллиарды лет тому назад - тоже стабильна и неизменна. А о возрасте Вселенной люди уже догадывались - в том числе и исходя из исследований геологов и палеонтологов на самой Земле, которые к началу ХХ века уже доказали почтенный возраст нашей собственной планеты.



Миллионы лет на одном фото. Именно скорость осадконакопления впервые поставила вопрос о возрасте Земли и, как следствие, всей Вселенной.

В этом и состояла революционность наблюдения и последующей, весьма логичной идеи Хаббла. Если Вселенная «сегодня» совсем не похожа на Вселенную «вчера», то и «завтра» она будет уже другой. И, как следствие - Вселенная вокруг нас меняется не только в частностях, но и в целом.

Ну а второе допущение уже прямо следовало из наблюдаемых эффектов. Если все наблюдаемые галактики удаляются друг от друга, подобно раздувающейся рожице клоуна на надуваемом ребёнком воздушном шарике - то логично предположить, что вчера этот шарик был меньше, позавчера - ещё меньше,  и так до тех пор, пока вы не сожмёте всю Вселенную до некоего нижнего предела, который чисто математически упрётся в одну-единственную точку или же в тот самый Большой взрыв.

Сразу же после опубликования первой идеи Хаббла о роли красного смещения, теория Большого взрыва стала обрастать массой экспериментальных подтверждений. Несмотря на невозможность нас и сегодня заглянуть за «горизонт событий» Большого взрыва, мы за ХХ век очень близко подошли к его пределу, наблюдая события, отстоящие от времени Большого взрыва на ничтожные по космологическим понятиям временные растояния.
Однако сам Большой Взрыв мы наблюдать не можем и связано это не с несовершенством наших инструментов или с неудачностью нашего «наблюдательного пункта», а в силу того, что раннее время Вселенной становится, по мере приближения к Большому взрыву, размытым и нечётким. Силы, энергии, плотности, температуры становятся слишком высокими, и наше понимание физики, которое мы накапливали столетиями, просто не справляется с задачей интерпретации того, что мы можем наблюдать даже виде доступных нам остатков и следов событий того времени. Однако кое-что из того, что мы обнаружили, уже вступает в противоречие с чисто «математической» редукцией Вселенной в начале времён до абстрактной и безразмерной точки.

Большой взрыв, который следовал из выкладок Хаббла, породил неизбежное допущение: если вся Вселенная произошла из одной по сути дела безразмерной точки, то где-то выше по шкале размеров (или, что то же самое  - старше по шкале времени) нас ждёт картина однородной, одинаковой и изотропной Вселенной.



До последнего времени считалось, что на размерах, сравнимых с размерами наблюдаемой части Вселенной, наступает так называемый «конец величия» (End of Greatness), который превращает картинку Вселенной в однородный «суп» из галактик.

Этот так называемый «космологический принцип» был впервые сформулирован в 1935 году английский космологом Эдуардом Артуром Милном (не путать с автором «Винни-Пуха», Аланом Александром Милном!).
Космологический принцип утверждает, что каждый наблюдатель во Вселенной, независимо от его местоположения и направления наблюдения, в один и тот же момент времени обнаруживает во всей доступной ему для наблюдения Вселенной в среднем одну и ту же картину. Независимость от места наблюдений, то есть равноправие всех точек пространства, называется однородностью Вселенной; независимость от направления наблюдений, то есть отсутствие выделенного направления в пространстве - изотропией Вселенной.

Самым сильным подтверждением космологического принципа (и, как следствие, однородности и сингулярности вселенной в момент Большого взрыва) явилась однородность реликтового излучения, предсказанная русским учёным Георгием Гамовым в 1946 году и открытая впоследствии, в 1965-м году.
Реликтовое излучение, наблюдаемое нами - это остаток очень ранней Вселенной, по всем рассчётам оно возникло в тот период, когда возраст Вселенной составлял «всего лишь» 400 000 лет, по меркам самой Вселенной - не более, чем мгновение.
Первые наблюдения реликтового излучения показывали его практически полную изотропность, что и подтверждало правоту космологического принципа. Большой взрыв - абстрактная точка, Вселенная - однородна, все свободны, так как ничего нового за горизонтом событий мы не найдём.

Но уже исследования 1980х-1990х годов выявили первые признаки анизотропии реликтового излучения, которые пересмотрели изначальную оценку анизотропности, принимавшуюся, как 10-5 или же 0,001%.
Вот нынешняя детальная карта реликтового излучения, составленная по сумме наземных и спутниковых наблюдений:



Нижняя шкала показывает разброс температур реликтового излучения, составляющий не более 200 микрокельвинов при температуре самого излучения в 2,725 Кельвина.
При этом большая часть колебаний реликтового излучения укладывается в диапазон +/- 18 мкК, однако есть два «досадных» исключения из этой благостной картинки.
Во-первых, в районе созвездия Эридана на карте реликтового излучения зияет сверххолодная брешь, называемая ещё  «Сверхпустота Эридана» (на общей карте она расположена в нижнем правом углу карты):



Реликтовое холодное пятно в целом приблизительно на 70 мкК холоднее, чем средняя температура реликтового излучения, что уже очень сложно объяснить. Реликтовое холодное пятно может быть отпечатком другой Вселенной за пределами нашей, чей след остался в нашей Вселенной до момента её «отпочковывания» от нас. Профессор Университета Северной Каролины Лаура Мерсини-Хафтон по этому поводу говорит просто: «Стандартная космология не может объяснить такой гигантской космической дыры - это явный отпечаток другой Вселенной, расположенной уже за краем нашей собственной».

Второй особенностью реликтового излучения является слабая, но всё же наблюдаемая анизотропия его в окружающем нас пространстве, так называемая «ось зла», открытая в 2005 году:



Наглядное усреднение карты реликтового излучения в квадруполь и октуполь, выявляющее «ось зла» реликтового излучения.

Открыть «ось зла» получилось, используя точные данные космических аппаратов - спутника WMAP и обсерватории «Планк». Выявленная анизотропия реликтового излучения носит сложный характер. Так, самое «холодное» поле опять-таки проецируется на тёмное, практически лишённое ярких звёзд созвездие Эридана, где и расположена уже упомянутая «сверхпустота».
Полученные данные об анизотропии реликтового излучения уже ставят под сомнение «классическую» точечную теорию Большого взрыва, показывая, что в ранних периодах Вселенной всё было «савсэм нэ так». Но кроме этого, в настоящее время существует и ещё ряд обнаруженных фактов, которые ставят стандартную космологическую модель и космологический принцип под сомнение.

Так, совсем недавно, в ноябре 2013 года в нашей Вселенной была открыта колоссальная структура видимой материи, так называемая Великая Стена Геркулес - Северная Корона. Это - огромная плоская суперструктура из сотен тысяч или даже миллионов галактик размером более 10 млрд световых лет, что составляет около 10 % от диаметра наблюдаемой Вселенной. На сегоднящний день она является самой большой из крупномасштабных структур, обнаруженных во Вселенной.



Гамма-всплески, по концентрации которых и была открыта Великая Стена.

Структура этого мегаскопления представляет собой собой стену или нить, состоящую из групп галактик, соединённых гравитацией, протяжённостью около 10 млрд световых лет (3 гигапарсек) по наибольшему направлению, совпадающему с перпендикуляром к нашему лучу зрения и в 7,2 млрд световых лет (2,2 гигапарсек или 150 000 км/c в определении красного смещения) в направлении нашего луча зрения.
Она расположена на расстоянии красного смещения в 1,6-2,1, что примерно составляет 10 млрд световых лет, и находится в направлении созвездий Геркулес и Северная Корона. Как следствие, гамма-всплески со стороны Великой Стены очень сильно сдвигаются в красную часть спектра, попадая в рентгеновский и даже в ультрафиолетовый диапазон, где их и зарегистрировала космическая обсерватория «Свифт».



Положение Великой Стены Геркулес - Северная Корона (Hercules - Сorona Borealis) на карте Вселенной. Положение Млечного Пути приведено к земному звёздному экватору.

Всплески гамма-излучения являются самыми мощными выбросами энергии в наблюдаемой Вселенной и происходят на огромных и молодых звёздах, вращающихся при этом с высокой скоростью. Такие вспышки очень редки: в галактике размером с Млечный Путь они происходят раз в несколько миллионов лет. Таким образом, вспышки являются количественными индикаторами интенсивности распада материи - то есть активности, присущей лишь галактикам, в состав которых входят триллионы звёзд, а большое количество вспышек означает высокую концентрацию материи и соответственно наличие большого числа галактик.

В исследовании космического телескопа «Свифт», которое и нашло Великую Стену, наблюдаемое небо было разделено на 9 частей, в каждой из которых исследовалась 31 вспышка гамма-излучения. В одной из этих частей, 14 вспышек оказались распределёнными в области с угловым радиусом 45° и с красным смещением от 1,5 до 2,0, попавшие в ультрафиолетовую область. Это означает, что в данном регионе находятся тысячи или даже миллионы галактик, к тому же ещё и удалённые от нас на 10 млрд. световых лет - практически на три четверти возраста самой Вселенной.

По существовавшим представлениям в рамках космологического принципа Милна, любая анизотропность видимой материи должна была исчезать в размерах объектов, сравнимых с расстоянием в 250-300 млн световых лет (О, господи, от этих галактик свет идёт к нам больше, чем время, что отделяет нас от динозавров!).
Никакие неоднородные структуры бо́льших размеров исходя из этого принципа «конца величия» не должны существовать. Однако, обнаруженная ещё в 2003 году Великая стена Слоуна, до 2012 года - самый крупный объект во Вселенной, имела размер 1,37 млрд световых лет, в было в 4,5 раза больше предсказанного масштаба.



Великая стена Слоуна на карте нашего ближайшего окружения. До неё «всего лишь» 1,2 млрд. световых лет. На Земле в то время ещё не было многоклеточной жизни.

Громадная группа квазаров, обнаруженная в 2012 году, имела размер уже в 4 млрд световых лет, что в 13,5 раза больше предсказания о максимальном размере «конца величия», но это ещё можно было списать на какие-то флюктуации.
Обнаружение же стены Геркулес-Северная Корона, неоднородной структуры размером более чем в 30 раз больше предсказанного масштаба, поставило под сомнение сам космологический принцип.
В общем, «чем дальше в лес - тем толще партизаны» и не исключено, что на расстоянии в 12-13 млрд. световых лет от нас мы найдём и ещё более титанические объекты.

И, судя по всему, такие новые открытия заставят нас пересмотреть те самые первые 400 000 лет существования нашей Вселенной, которые разбросали по окресностям нашей крошечной галактики какие-то ошмётки катастрофы по-настоящему вселенского масштаба.
Это был не точечный взрыв, а скорее всего - нечто иное.

• 242 комментария