Якби кожна галактика стала однією цяткою, чи був би Всесвіт схожим на рівномірно розсипаний цукор? Карти великих об’ємів показують інше: згущення з’єднуються в довгі структури, а між ними залишаються великі малозаселені ділянки.
Космічна павутина — великомасштабна мережа розподілу матерії: вузли, нитки та стінки оточують розріджені порожнечі. Галактики позначають частину цієї структури своїм світлом; між ними є газ, а важливу гравітаційну роль відіграє темна матерія. Назва описує будову, а не гігантську сітку, натягнуту кимось у просторі. ESA: розподіл матерії та космічна структура.
На цій карті одна точка може означати цілу галактику
На фотографії зоряного неба цятка часто означає зорю. На карті космічної павутини багато таких точок представляють галактики, кожна з яких сама містить зорі. Ми змінили масштаб: від будови однієї галактики перейшли до розміщення багатьох.
У найгустіших вузлах розташовані скупчення галактик. Між ними простягаються філаменти, або нитки, — видовжені області підвищеної густини матерії. Ширші пласкі структури називають стінками або листами. Між цими областями лежать войди, космічні порожнечі. Вони мають меншу густину й мало галактик, але не зобов’язані бути абсолютно порожніми. ESA: вузли павутини, Bond, Kofman і Pogosyan: мережа ниток і листів.
Добра побутова опора — піна: у ній помітні комірки, стінки та їхні перетини. Але в космосі немає мильної плівки, поверхневого натягу або однакових комірок. Матерія розподілена в тривимірному просторі, а межі структур визначають за даними та обраним методом.
Гравітація підсилила початкові нерівності
Ранній Всесвіт був значно одноріднішим, ніж теперішній, але не ідеально рівномірним. Ділянки з трохи більшою густиною притягували навколишню матерію. З часом відмінності росли: густі області ставали виразнішими, а розріджені втрачали матерію відносно оточення. Це гравітаційна нестійкість — маленьке початкове відхилення може підсилюватися. ESA: від майже гладкого розподілу до структури.
Матерія не падала однаково з усіх напрямків. Початковий розподіл і неоднакові гравітаційні деформації сприяли появі листів, ниток і вузлів. Чисельні моделі дозволяють простежити таке зростання з малих флуктуацій, а потім порівняти статистику отриманої мережі зі спостереженнями. Це не історія про те, як готові галактики хтось зв’язав канатами. Bond та ін., 1996: фізичне походження павутини.
У стандартній космологічній моделі темна матерія створює значну частину гравітаційного каркаса. Звичайний газ також рухається в цьому полі, нагрівається, охолоджується та бере участь у живленні галактик. Темна матерія не тотожна газу або пилу: її розподіл виводять із гравітаційних ефектів, а не фотографують за власним світлом. ESA: темна космічна павутина.
Щоб побачити мережу, фотографії неба замало
Дві галактики можуть стояти поруч на зображенні й бути дуже далекими одна від одної в просторі. Напрямки на небі дають лише дві координати. Для третьої потрібна оцінка відстані.
У великих оглядах використовують червоне зміщення: зміщення спектральних ліній, пов’язане, зокрема, з розширенням Всесвіту. Разом із моделлю розширення воно допомагає перевести напрямки та спектри в тривимірну карту. Власні рухи галактик теж впливають на зміщення, тому це не ідеальна рулетка; особливо обережно трактують видимі витягнення скупчень уздовж лінії зору. CfA: навіщо каталогам галактик червоні зміщення, Hogg: космологічне зміщення та власні швидкості.
На схемі нижче обидві панелі вигадані. Вона відділяє точки вибірки від ліній, якими ми пояснюємо їхній візерунок. Справжній дослідницький алгоритм має встановлювати зв’язки за положеннями, похибками й правилами класифікації, а не просто домальовувати красиві нитки.
Умовні галактики
Ті самі точки та навчальні зв’язки
- Кожна точка — умовна галактика, не зоря.
- Густі групи точок позначають вузли.
- Лінії підкреслюють можливі нитки; світлий проміжок — малозаселений об’єм.
Обидві панелі — навчальний ескіз із вигаданими координатами, не оглядові дані й не фізична симуляція. Лінії намальовано для пояснення: це не світні троси й не виміряна карта темної матерії. Фізичної шкали немає; малюнок показує лише частину умовної мережі.
Карта також має межі. Якщо огляд не охопив частину неба або не бачить тьмяні галактики, там буде мало точок навіть без справжньої порожнечі. Тому треба знати межі об’єму, чутливість і відбір об’єктів. Товстий зріз може накласти різні структури одну на одну; тонкий — показати лише фрагменти мережі.
Між галактиками теж є спостережувана речовина
Розріджений газ часто надто слабко світиться для звичайного знімка. Проте він може залишати лінії поглинання у світлі далекого квазара, яскравого активного ядра галактики. Джерело позаду підсвічує речовину на шляху до нас; спектр показує її слід. Багато таких напрямків допомагають зіставляти газ із великомасштабною структурою. NASA: дослідження газу між галактиками.
За сприятливих умов виявляють і випромінювання газових ниток. У 2019 році Umehata та співавтори описали спостереження водневого випромінювання Лайман-альфа в протоскупченні SSA22 при червоному зміщенні близько 3,1. Виявлені структури простягалися більш ніж на один фізичний мегапарсек у проєкції. Їхнє світіння, імовірно, підсилювало іонізувальне випромінювання активних галактик у цьому особливому оточенні. Оригінальна робота: газові філаменти SSA22.
Це спостереження газу в певній області, а не фото всієї темної матерії Всесвіту. Навіть передбачуваний приплив газу до галактик автори не назвали безпосередньо виміряним у цих даних. Розподіл джерел і випромінювання підтримує фізичне пояснення, але не перетворює знімок на відеозапис потоку.
Порожнеча означає меншу заселеність, а не відсутність усього
Якщо в регіоні є одна галактика, це ще не скасовує його належності до войду. Важливий контраст із середнім оточенням на певному масштабі. Наприклад, карликова галактика KK 246 розташована в Місцевій порожнечі. На її зображенні є й інші галактики, але частина лежить значно далі, за цим об’ємом. NASA/ESA: галактика всередині космічної порожнечі.
Відгалуження · З числамиНеобов’язково · можна пропустити
Як від’ємний контраст густини може описувати додатну кількість галактик
Для галактик обраної вибірки визначимо густину кількості n_(g) = N/V, де N — кількість у об’ємі V. Порівняємо її із середньою \bar n_g за допомогою контрасту
\delta_g=\frac{n_g-\bar n_g}{\bar n_g}.
В умовних однакових об’ємах середньому відповідає 40 галактик, а в розрідженому регіоні їх 8. Тоді δ_(g) = (8 − 40)/40 = − 0,8. Галактики є; їхня густина становить 20% середньої. Від’ємним є відхилення, а не маса чи сама кількість. Для 80 галактик у такому самому об’ємі отримали б δ_(g) = 1.
Це навчальні числа, не каталог. Ми рахуємо галактики одного відбору, а не всю масу: галактики не є ідеально рівномірними покажчиками темної матерії. Результат залежить від масштабу, меж і повноти вибірки; одна формула не задає універсального правила класифікації войдів.
Спершу з’ясуйте, що саме намальовано
Зображення павутини може бути каталогом галактик, реконструкцією маси за гравітаційним лінзуванням або результатом комп’ютерної симуляції. Кольори у кожному випадку можуть означати різні речі. Лінзування використовує викривлення зображень далеких джерел гравітацією переднього плану; карта маси з нього є висновком із вимірювань і моделі. Симуляція ж обчислює еволюцію речовини за заданих початкових умов. NASA: різні способи картографування павутини.
Перевірте себе: якщо між двома галактиками на карті намальовано фіолетову лінію, чи доводить вона, що ми сфотографували темну матерію? Ні. Потрібна легенда: це може бути модельний зв’язок, умовне забарвлення маси або виміряне газове випромінювання — різні результати з різними обмеженнями.
Космічна павутина пояснює, як галактики вписані в більшу структуру, яку гравітація виростила з ранніх нерівностей. Щоб читати її карту, шукайте три речі: що представляє точка чи колір, який об’єм і відбір охоплено та де закінчується спостереження й починається реконструкція.