На что похожа эта Вселенная?

Этан Зигель,

16 августа 2013 года

 

 Image credit: E.A. Praton, A.L. Melott, & M.Q. McKee, ApJ, 479:L15–L18, 1997.

" В космических масштабах наша жизнь несущественна, но этот короткий период, на который она появилась - время, когда задаются все нужные вопросы"

Поль Рику (Paul Ricoeur)

Спросите кого-нибудь о звездном небе безлунной, темной ночью, и вы услышите рассказ о том, как Вселенная безгранична, как она невероятно огромна.

Image credit: Randy Halverson, flickr user dakotalapse, from http://dakotalapse.com/.

Но то, на что вы смотрите звездной ночью - совсем небольшая часть нашей Вселенной. В действительности - все, что вы видите, включая обширные рои звезд - слишком тусклых, чтобы их можно было разрешить на отдельные звезды - все это наша Галактика. И, как мы знаем, на основе исследований поколений астрономов, телескопов, обсерваторий и многочисленных наблюдений - Вселенная гораздо больше.

Image credit: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, and M. Mechtley (ASU), R. O’Connell (UVa), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan (UC Davis), & H. Yan (tOSU).

В наблюдаемой нами части Вселенной есть по крайней мере сотни миллиардов галактик, которые разбросаны внутри сферы радиусом в 46 млрд световых лет, как это видно с нашей точки зрения.

Как биологические создания,  мы слишком ограничены в плане восприятия мира своими глазами. Хорошо приспособленные для условий высокого освещения, в межгалактическом пространстве мы видим только самые близкие и яркие источники света, что, вероятно дало бы всего пару десятков видных нам галактик в любой, произвольно выбранной точке этого пространства.

Image credit: Knut Skaar of http://knutsastronomy.blogspot.com/, of Messier 109.

Мы находимся внутри нашей Галактики, и потому видим тысячи звезд на переднем плане, которые приходится игнорировать во время наблюдений далекой Вселенной. Кроме этого мы используем различные технологии - передовые телескопы и ПЗС-камеры, чтобы наблюдать близкие к нам галактики - такие, как М109, что сильно помогает при изучении более далеких объектов.

Не удивительно, что многие мечтают о путешествиях через Вселенную, чтобы увидеть, как группируются галактики и какие формы принимают эти группы.

Image credit: Cosmic Flows Project/University of Hawaii, via http://www.cpt.univ-mrs.fr/.

Недавно проект Космические Потоки опубликовал видео (на французском)  - 17 минутный полет через Вселенную на расстояние 300 млрд св. лет. Фильм замечательно показывает не только наш Млечный Путь, Местную группу, ближайшее к нам сверхскопление Девы, в котором более 100 тысяч галактик, и на окраине которого находится наша группа галактик, но также и другие ближайшие к нам сверхскопления и пустоты! Если у вас будет время - обязательно посмотрите, не пожалеете!

Video credit: Hélène Courtois, Daniel Pomarède, R. Brent Tully, Yehuda Hoffman, and Denis Courtois.

Но, посмотрев, вы, должно быть, зададите вопрос - как можно было построить такую модель? С нашей точки зрения на Земле, или даже где-нибудь в Солнечной Системе, придется сильно фильтровать приходящую информацию. Самое простое из того, что приходится держать в уме - закон Хаббла. Вселенная не только расширяется, расстояние до галактики прямо пропорционально скорости ее удаления.

Image credit: Larry McNish of RASC Calgary Centre, via http://calgary.rasc.ca/.

Оказывается, что измерить красное смещение относительно просто, так что, зная закон Хаббла всегда можно прикинуть расстояние до галактики.

Ну, вроде того. Закон Хаббла дает хорошие приближения на средних дистанциях, в больших масштабах, но он - не все, что влияет на красное смещение объекта. А влияет еще такая малюсенькая штука (это сарказм), как гравитация всей материи Вселенной - в течение всех прошедших от Большого Взрыва 13.8 млрд лет.

Image credit: Wikimedia Commons user Brews ohare.

У материи есть такое надоедливое свойство - она все время пытается скучковаться и сгруппироваться - все благодаря гравитации, которая заставляет ее двигаться. Не поймите меня неправильно, это - замечательное свойство Вселенной, но именно оно и мешает, когда вам нужно измерить красное смещение!

Это свойство создает искажения на луче зрения, которые называются искажениями красного смещения.

Image credit: M.U. SubbaRao et al., New J. Phys. 10 (2008) 125015, via IOPscience.

Как видите, слева эти искажения создают линии или полосы, которые радиально расходятся от точки вашего наблюдения. Мы называем эти линии Пальцами Бога. Это следствие того, что скопления галактик движутся быстрее по направлении к- и от- центра скопления, которое расширяется как результат красного смещения.

Есть и еще одно менее заметное явление - скопления движутся друг относительно друга и собираются в сверхскопления или волокна, собираясь в большом масштабе в плоские структуры. Это явление называют эффект Кайзера (по имени ученого Ника Кайзера), но я предпочитаю называть их Блинами (прим.перев. ну, или Оладьями) Бога.

Image credit: from the movie Thor (2011).

Как же можно бороться с этими искажениями? Хотите верьте - хотите - нет, но здесь нам серьезно помогло компьютерное моделирование. Благодаря тому, что мы знаем, как же формировалась структура Вселенной благодаря гравитации, мы можем перевести теперь все объекты из пространства красного смещения, которое просто измерить, в реальное пространство - Вселенную, в которой мы живем.

Image credit: Lahav et al. and The 2dF Galaxy Redshift Survey Team (2002).

Сейчас мы понимаем кластеризацию и темную материю и темную энергию в нашей Вселенной настолько, чтобы осуществить это преобразование с высокой степенью точности. И, конечно же, мы начнем снова - с измерений красного смещения галактик и нанесения их на карту.

Image credit: Two-micron all-sky survey (2MASS), IPAC / Caltech, Univ. of Massachusetts.

Но затем нам снова надо применять наши знания массы и гравитации, чтобы понять, как группировались эти галактики, чтобы с наилучшей точностью определить их собственные скорости  или скорости относительно хаббловского красного смещения. Вычитая эти скорости векторно, мы можем увидеть их реальные положения в пространстве, и, значит, определить, как далеко от нас и в каком направлении находится каждая галактика.

Image credit: Tegmark, M., et al. 2004, ApJ, 606, 702. (FOGs - Пальцы Бога.)

Итак, как же может выглядеть полет через космос - реальный полет через большую Вселенную? Не для глаз человека, а, скажем, если бы наши глаза были размером с гигантские телескопы? Смотрите видео от Мигеля Арагона (Miguel Aragon), Марка Суббарао (Mark Subbarao) и Алекса Залая (Alex Szalay) на основе Цифрового Исследования СЛОАН!

Тут "всего лишь" 400 тыс. галактик на их реальных местах, или всего лишь около 0.0003% всех галактик наблюдаемого нами пространства!

И это всего лишь маленькая часть на то, что мы могли бы увидеть!