Обнаружена еще одна макроструктура во Вселенной, бросающая вызов стандартной космологической модели
12.01.2024 г.
О ближней Вселенной мы знаем очень мало, но благодаря наблюдениям мы можем понять ее демографическую структуру и основные характеристики
О крупномасштабной Вселенной, напротив, мы знаем очень мало. Только то, что космологические теории, и в частности Стандартная космологическая модель, позволяют нам выдвигать гипотезы.
Большую помощь в ее описании оказывают наблюдаемые нами макроструктуры, такие как скопления галактик и крупнейшие суперкластеры галактик, которые позволяют понять, как собираются вместе самые крупные объекты в космосе, и тем самым понять, как распределена гигантская паутина Вселенной. Среди этих макроструктур одна из самых крупных, обнаруженных на данный момент, - Гигантская дуга. Открытая в 2021 году, она имеет длину около 3,3 миллиарда световых лет.
Два дня назад, во время 243-го заседания Американского астрономического общества (AAS), аспирант Алексия Лопес из Университета Центрального Ланкашира представила открытие еще одной макроструктуры в далекой Вселенной, названной Гигантским кольцом (Великим кольцом). Оно находится на расстоянии 9,2 миллиарда световых лет от Земли, имеет диаметр около 1,3 миллиарда световых лет и окружность около 4 миллиардов световых лет. Если бы мы могли увидеть ее на небе, она занимала бы пространство, соответствующее 15 полным лунам.
Открытие этой другой макроструктуры, входящей в то же "космическое соседство", что и Гигантская дуга, поставило под сомнение некоторые из основных предположений космологии. Как заявила Лопес:
- Ни одна из этих структур не может быть легко объяснена в рамках нашего нынешнего понимания Вселенной. А их сверхбольшие размеры, характерные формы и космологическая близость, несомненно, должны говорить нам о чем-то важном. Но о чем именно?
Художественное изображение "космической паутины", считающейся современной крупномасштабной структурой Вселенной. Каждая яркая белая точка - это группа, скопление или суперкластер галактик.
Известные макроструктуры нашей Вселенной
Начиная с 1980-х годов астрономы начали обнаруживать в небе структуры, которые были гораздо больше, чем суперкластеры галактик, группы скоплений галактик, которые до этого считались самыми крупными существующими структурами в космосе.
Первой из них стала Великая стена CfA2, открытая в 1989 году. Она представляет собой огромную нить, которая удерживает несколько скоплений галактик. Ее размер оценивается в 500-750 миллионов световых лет, ширина - 200 миллионов световых лет, а толщина - около 16 миллионов световых лет. Точно неизвестно, насколько далеко простирается эта нить, из-за поглощения света в плоскости Млечного Пути, в которой находится Земля.
В апреле 2003 года была открыта Великая стена Слоуна - структура, образованная гигантской стеной галактик протяженностью 1,37 миллиарда световых лет, что составляет примерно 1/60 часть диаметра наблюдаемой Вселенной. Еще одна подобная стена, примерно такого же размера, была обнаружена в 2020 году и названа Стеной Южного полюса, поскольку она очень плотная на небесном Южном полюсе.
Сравнение Великой стены Слоуна и Великой стены CfA2
В 2013 году команда под руководством Университета Центрального Ланкашира открыла Огромную группу больших квазаров (Huge-LQG) - структуру из 73 квазаров диаметром около 4 миллиардов световых лет. В 2016 году была обнаружена Огромная большая квазарная группа (BOSS) - суперкластерный комплекс диаметром 1 миллиард световых лет, общая масса которого, по оценкам, в 10 000 раз превышает массу Млечного Пути.
Крупнейшими структурами, известными в настоящее время, являются только Великая стена (HCB Great Wall, Hercules-Corona Borealis Great Wall) длиной около 10 миллиардов световых лет, открытая в 2013 году, и Гигантская дуга, названная выше.
Великое кольцо
Великое кольцо, обнаруженное Лопесом и его коллегами, выглядит на небе как почти идеальное кольцо. Однако дальнейший анализ, проведенный Алексией, показал, что оно имеет скорее спиральную форму, похожую на штопор, и что оно выровнено фронтально по отношению к Земле. Для сравнения, Гигантская дуга, радиус которой составляет примерно 1/15 часть радиуса наблюдаемой Вселенной, выглядит как огромный, почти симметричный полумесяц галактик.
Великое кольцо и Гигантская дуга находятся на одинаковом расстоянии от нас, в районе созвездия Волопас. Это означает, что они существовали в одно и то же космическое время, когда возраст Вселенной составлял лишь половину ее нынешнего возраста, а ее размеры были примерно в 1,8 раза меньше, чем сейчас, в результате космического расширения. Более того, они находятся в одной и той же области неба, всего в 12 градусах друг от друга.
Исследователи объясняют, что тот факт, что эти две сверхкрупные структуры находятся в такой тесной конфигурации, заставляет предположить, что вместе они образуют еще более крупную космологическую систему.
Открытие стало возможным благодаря наблюдению линий поглощения в спектрах квазаров, очень ярких и древних галактик, собранных Слоановским цифровым обзором неба (SDSS). Используя тот же метод, который привел к открытию Гигантской дуги, ученые наблюдали системы поглощения магния-II, освещенные квазарами.
Бросая вызов стандартной космологической модели
Вселенной Согласно стандартной космологической модели эволюции Вселенной, структуры такого типа формируются и следуют за нитями, состоящими из водорода и темной материи, распределяясь подобно паутине, называемой космической паутиной.
Считается, что такова крупномасштабная структура нашей Вселенной: темная материя гравитационно притягивает барионную, обычную материю, и именно ее мы видим, формируя длинные, тонкие стены суперкластеров галактик.
Однако такие структуры, как Великая стена и Гигантская дуга, простирающиеся на многие миллиарды световых лет, противоречат космологическому принципу. Согласно этому принципу, на достаточно больших масштабах Вселенная может считаться одинаковой во всех местах (однородной) и во всех направлениях (изотропной). И поэтому не должна порождать наблюдаемых неравенств в структурировании на больших масштабах.
Такие крупномасштабные структуры, как Великая дуга, Великая стена, Великое кольцо, превышают предел размерности того, что считается теоретически возможным. И они представляют собой потенциальный вызов всей космологической модели, которая в настоящее время наиболее широко принята большинством ученых. Космологи, по сути, рассчитывают, что текущий теоретический предел размеров структур составляет 1,2 миллиарда световых лет. Все эти структуры гораздо больше.
Карта анизотропии Вселенной, полученная на основе семилетних данных со спутника WMAP, на которой разными цветами выделены температурные колебания возрастом 13,7 млрд лет: семена, давшие начало галактикам
Некоторые (возможные) объяснения этих космических колец
Исследователи объясняют, что Великое кольцо может быть связано с барионными акустическими колебаниями (БАК). БАК происходят от флуктуаций материи в ранней Вселенной и сегодня должны, по крайней мере статистически, выглядеть как сферические оболочки в расположении галактик. Однако детальный анализ Великого кольца показал, что оно не совсем подходит для объяснения БАК: оно слишком велико и не имеет сферической формы.
Возможно, потребуются другие объяснения, отклоняющиеся от стандартной космологической модели. Одним из возможных вариантов может быть теория циклической конформной космологии (ЦКК), предложенная в 2001 году нобелевским лауреатом Роджером Пенроузом. Это космологическая модель циклической Вселенной, которая постулирует, что конец Вселенной - это начало новой, поскольку низкая энтропия после тепловой смерти Вселенной будет такой же, как и до Большого взрыва, из-за испарения черных дыр. Космические кольца, такие как Великое кольцо и Гигантская дуга, а также другие макроструктуры, предположительно могут быть признаком ЦКК.
Другим объяснением может быть эффект прохождения космических струн. Космические струны - это крупные нитевидные "топологические дефекты", которые могли образоваться в ранней Вселенной. Другой нобелевский лауреат, Джим Пиблз, предположил, что космические струны могут играть роль в происхождении некоторых других особенностей в крупномасштабном распределении галактик.
Каков же правильный ответ? Нам пока неизвестно. "Исходя из современных космологических теорий, мы даже не предполагали, что структуры такого масштаба возможны", - говорит Лопес. "Мы могли бы ожидать, возможно, чрезвычайно крупной структуры во всей нашей наблюдаемой Вселенной...".
via