Возможно, мы внутри пустоты: откуда во Вселенной гигантские пробелы, и почему они стали новой надеждой для космологии

Рассказ о свойствах загадочного явления — территории в космосе, посреди которой нет почти ничего.

Галактики, звёзды, пыль вовсе не рассеяны по космосу хаотично. Они скапливаются вместе и образуют особые структуры, тогда как едва ли не всю остальную часть наблюдаемого пространства занимают войды (void в переводе с английского — пустота): территории, посреди которых нет почти ничего. Нередко они становятся предметом хоррор-картинок, как войд Волопаса. Его называли «самым страшным местом во Вселенной», но оказалось, что изображение фейк.

Для науки войды представляют свой интерес. Прицеливая телескопы в сторону далёких интригующих пространств, учёные стремятся узнать их лучше: определить размеры, форму, понаблюдать за развитием с течением времени. Всё это может помочь разобраться в устройстве космоса лучше, составить карту Вселенной, а также рискнуть временем и ресурсами ради приближения к разгадке или открытия великой тайны: что есть тёмная материя и тёмная энергия.

Словно ночной мегаполис в иллюминаторе самолёта, Вселенная имеет вид паутины. Такую форму образуют ветвящиеся нити из невидимой тёмной материи, вдоль которых «течёт» свободный водород и скапливается «обычное» вещество: галактики и их объединения.

Увидеть эту уникальную картину оставалось многолетней мечтой учёных, пока она не сбылась в 2021 году, — группа астрономов из Франции засняла небольшой кусочек галактической нити, долго наблюдая за одним участком неба.

Между нитями остаются войды: они заключают в себе около 80% всего наблюдаемого пространства. В них очень мало или вообще нет галактик, иногда проплывают одинокие протогалактические облака из пыли и газа, но в основном они пустуют. Впрочем, войды пронизаны невидимой субстанцией — тёмной материей, и на них влияет не менее таинственная тёмная энергия.

Формирование паутины из нитей и войдов по-прежнему исследуют. Вероятнее всего, миллиарды лет назад пространство состояло из тёмной материи, водорода и ещё нескольких веществ. Они почти одинаково усеивали Вселенную, но некоторые области имели большую плотность, чем остальные. Поэтому гравитация тяжёлых скоплений притягивала к ним всё вокруг, опустошая космические просторы и формируя войды.

Учёные считают, что в нитях образовались почти все галактики, и они стремительно скользят в сторону ещё более плотных скоплений. Это объясняет, откуда в космосе необычно гигантские войды. Нити могут разрываться из-за истончения, тогда маленькие пустоты сливаются в сверхпустоты, чьи размеры долго озадачивали науку. Но прежде чем изучить войд, его предстоит обнаружить, — для этого существует несколько методов.

Поскольку в войдах почти нет обычной материи, а тёмная материя вовсе невидна, обнаружение пустот выступает нетривиальной задачей. К тому же, от нашего прямого взгляда они скрыты разными объектами в космосе как на переднем, так и на заднем плане. Чтобы преодолеть эти трудности, учёные часто обращаются к особому инструменту — гравитационному линзированию.

Когда мимо очень тяжёлого объекта проносится луч света, его траектория отклоняется из-за влияния гравитации. Наблюдать такой эффект можно лишь в рамках космоса, где находятся огромные и тяжёлые тела вроде звёзд или галактик. Они выступают гравитационными линзами, поскольку наблюдатель видит источник света в другом месте неба, а не там, где он на самом деле находится.

Скопления тёмной материи тоже обладают гравитацией. Поэтому, когда луч света проходит сквозь пустоты, он искажается, как если бы проходил рядом с галактикой. Насколько сильно это искажение проявится зависит от плотности материи: чем плотнее, тем сильнее. Метод позволяет учёным искать и войды, — в них свет преломляется слабее, чем вне пустот.

Это не единственный метод. Часто исследователи выбирают нужную галактику и начинают от неё отсчёт: где ближайший сосед и насколько он близко. Так постепенно область расширяется, а её плотность возрастает в сторону к границам — нитям космической паутины. Когда учёные доходят до «стенок» войда, плотность становится самой высокой: это значит, что пустота закончилась и можно «чертить границы».

Среди нескольких десятков найденных пустот есть очень крупные, за что они получили особые имена, а также небольшие и поэтому названные в честь их созвездия. В 2013 году исследователи впервые выдвинули гипотезу, что галактика Земли — Млечный путь — находится недалеко от центра самой большой из известных пустот. К такому выводу учёные пришли на основании количества галактик рядом с нами — их меньше, чем предсказывали модели.

Новая пустота получила название KBC (от имён Кинан, Баргер и Коуи), а расстояние от края до края определили равным примерно двум миллиардам световых лет. Для сравнения, наибольшее расстояние от Земли до Марса около 0,000042 световых лет. Несмотря на подтверждения теории после 2013 года, некоторые исследователи всё ещё сомневаются в существовании KBC, поэтому человечеству только предстоит изучить вопрос лучше.

В 1981 году Роберт Киршнер и его научная команда создавали карту Вселенной. Когда работа завершилась, учёные обнаружили на расстоянии 700 миллионов световых лет от Земли круглую пустоту. Сперва её назвали Великим ничто, а несколько позже переименовали в войд Волопаса в честь одноименного созвездия.

Войд Волопаса получил широкую известность в интернете в качестве хоррор-изображения. Огромное чёрное пятно посреди звёздного неба называли «дырой во Вселенной» или «порталом». Но вскоре выяснилось, что на картинке запечатлена не пустота, а несколько другое — тёмная туманность «Барнард 68», обработанная в фоторедакторе для больших впечатлений.

На самом деле, войд Волопаса окружён звёздами, поэтому увидеть чёрную область напрямую невозможно, к тому же он имеет немного галактик внутри — около 60.

Сверхпустота Эридана не менее известный войд, он связан с одной из наиболее сложных проблем современной космологии — объяснением «холодного реликтового пятна». На ранних этапах развития Вселенная имела вид раскалённой плазмы, словно каши из элементарных частиц. Свет этой первичной плазмы называют реликтовым излучением, его можно обнаружить и сегодня в виде микроволнового фона.

У реликтового излучения есть температура, и почти по всей Вселенной она равномерная — без резких колебаний. Но в начале 2000-х годов при помощи телескопа WMAP учёные обнаружили яркую аномалию. В созвездии южного полушария Эридан виднелось «холодное пятно» — участок с температурой на 70 микрокельвинов ниже обычной (при среднем отклонении в 18 мкК), а в центре пятна температура падала до 150 мкК. Холодный участок также имел огромный размер, что не менее странно.

Учёные предположили, что аномалию можно попытаться объяснить сверхпустотой Эридана. Когда реликтовое излучение попадает в войд, оно теряет немного энергии и охлаждается, поэтому большие пустоты могут очень сильно влиять на температуру. Выполнив расчёты, физики обнаружили расхождение: сверхпустота Эридана может охладить излучение лишь на 40 мкК и даже меньше, тогда как должна на 150.

Науке известно ещё не менее 17 войдов: самых разных форм и размеров. Они планомерно растут в своих созвездиях, пока их тщательным образом исследуют на Земле: пустоты имеют потенциал для космологии, использовав который, возможно, человечеству откроются новые горизонты.

Составить карту Вселенной — одна из первых амбициозных задач космологии, в решении которой могут помочь войды. Учёт их размеров и формы остаётся важным шагом на пути к определению границ в космической паутине, тем более что войды занимают большую её часть. Точные карты космоса могут пролить свет на ещё одну проблему: как тёмная материя распределена в пространстве.

Её гравитация собирает галактики, их скопления, звёзды, пыль и газ, поэтому в нитях космической паутины плотность материи высокая. С другой стороны, плотность снижается в войдах, ведь оттуда материя утекает к нитям. Такой эффект «скопления и опустошения» показывает, где тёмной материи больше, а где меньше. Чтобы наблюдать за этим, исследователи активно применяют метод гравитационного линзирования.

Но и это не последняя польза от космической карты. Учёные используют суперкомпьютеры для моделирования изменений во Вселенной с момента Большого взрыва. Чтобы понять, насколько модель получилась верная, исследователям нужна наиболее точная карта того, что мы видим сегодня за пределами Земли. Сравнивая прогнозы суперкомпьютера с реальностью, учёные выбирают лучшую модель для дальнейшего изучения Вселенной.

Тёмная материя и тёмная энергия пронизывают войды. Самые большие из них удалены от яркого света звёзд и галактик, а также в пустотах почти нет ничего, что могло бы сильно влиять на наблюдения. Всё это приводит учёных к мысли, что тёмные пустующие области Вселенной могут служить словно космической лабораторией для наблюдений за тёмной материей, возможно, в будущем открыв тайны её частиц.

Изоляция войдов может помочь обнаружить и тёмную энергию. Эта невидимая сила ускоряет расширение космоса, хотя некоторые учёные сомневаются в её существовании и предлагают на замену альтернативные модели гравитации. Если теория верна, тёмная энергия должна увеличивать и размеры войдов, меняя их форму и количество, поэтому наблюдая за пустотами, возможно, удастся приблизиться к открытию этой таинственной энергии, либо вовсе опровергнуть её реальность.

#наука #космос #разборы #лонгриды #лигаавторов