Гравитация может не только притягивать, но и отталкивать - как вам такое заявление? Причем не в какой-нибудь новой математической теории, а на самом деле - Большой Отталкиватель, как его назвала группа ученых, ответственен за половину скорости, с которой наша Галактика движется в космосе. Звучит фантастически, не так ли? Давайте разбираться.
Во-первых,
давайте оглянемся по сторонам и
познакомимся с нашими соседями во
Вселенной. За последние несколько
десятков лет мы узнали очень многое, и
слово «космография» сегодня - это не
термин из фантастических романов
Стругацких, а один из разделов современной
астрофизики, занимающийся составлением
карт доступной нам части Вселенной.
Ближайшая соседка нашего Млечного Пути
- это галактика Андромеда, которую
можно увидеть на ночном небе и невооруженным
глазом. А вот разглядеть еще несколько
десятков компаньонов не получится -
карликовые
галактики , которые вращаются вокруг
нас и Андромеды, очень тусклые, и
астрофизики до сих по не уверены, что
нашли
их все. Тем не менее, все эти галактики
(в том числе и не открытые), а также
галактика
Треугольника и галактика NGC
300 входят в Местную
группу галактик . Сейчас в Местной
группе 54 известных галактики, большая
часть из которых - это уже упоминавшиеся
тусклые карликовые галактики, и ее
размеры превышают 10 миллионов световых
лет. Местная группа вместе с еще примерно
100 скоплениями галактик входит в сверхскопление
Девы , размерами больше
110 миллионов световых
лет.
В 2014 году группа астрофизиков под руководством Брента Талли из Гавайского университета выяснила, что само это сверхскопление, состоящее из 30 тысяч галактик, является составной частью еще бо льшей структуры - сверхскопления Ланиакея , в котором содержится уже более 100 тысяч галактик. Осталось сделать последний шаг - Ланиакея вместе со сверхскоплением Персея-Рыб входит в комплекс сверхскоплений Рыб-Кита , которое одновременно является галактической нитью, то есть составной частью крупномасштабной структуры Вселенной .
Наблюдения и компьютерные симуляции подтверждают, что галактики и скопления не хаотически разбросаны во Вселенной, а составляют сложную губкообразную структуру, где есть филаменты-нити , узлы и пустоты, также известные как войды . Вселенная, как почти сто лет назад показал Эдвин Хаббл, расширяется, и сверхскопления - это самые крупные образования, которые удерживаются гравитацией от разбегания. То есть, если упростить, то филаменты разбегаются друг от друга из-за воздействия темной энергии, а движение объектов внутри них в большей степени обусловлено силами гравитационного притяжения.
И теперь, зная, что вокруг нас столько галактик и скоплений, которые притягивают друг друга так сильно, что даже перебарывают расширение Вселенной, пора задать ключевой вопрос: а куда все это летит? Именно на него и пытается ответить группа ученых вместе с Иегуди Хоффманом из Еврейского университета в Иерусалиме и уже упоминавшимся Брентом Талли . Их совместная , вышедшая в Nature , основана на данных проекта Cosmicflows-2 , который измерил расстояния и скорости более 8000 близлежащих галактик. Этот проект был запущен в 2013 году все тем же Брентом Талли вместе с коллегами, в том числе Игорем Караченцевым , одним из самых высокоцитируемых российских астрофизиков-наблюдателей.
Трехмерную карту локальной Вселенной (с русским переводом), составленную учеными, можно посмотреть на этом видео .
Трехмерная проекция участка местной Вселенной. Слева синими линиями обозначено поле скоростей всех известных галактик ближайших сверхскоплений - они очевидно двигаются в сторону Аттрактора Шэпли. Справа красным показано поле анти-скоростей (обратные значения поля скоростей). Они сходятся в точке, откуда их «выталкивает» отсутствие гравитации в этой области Вселенной.
Yehuda Hoffman et al 2016
Итак, куда все это летит? Для ответа нужна точная карта скоростей для всех массивных тел в ближней части Вселенной. К сожалению, для ее построения данных Cosmicflows-2 недостаточно - несмотря на то, что это лучшее, что есть у человечества, они неполны, неоднородны по качеству и имеют большие погрешности. Профессор Хоффман применил к известным данным винеровское оценивание - пришедший из радиоэлектроники статистический прием отделения полезного сигнала от шума. Это оценивание позволяет ввести основную модель поведения системы (в нашем случае - это Стандартная космологическая модель), которая будет определять общее поведение всех элементов в отсутствие дополнительных сигналов. То есть движение конкретной галактики будет определяться общими положениями Стандартной модели, если для нее данных недостаточно, и данными измерений, если таковые есть.
Полученные результаты подтвердили то, что нам уже было известно - вся Местная группа галактик летит в космосе в сторону Великого аттрактора , гравитационной аномалии в центре Ланиакеи. И сам Великий аттрактор, несмотря на название, не такой уж и великий - его притягивает намного более массивное сверхскопление Шэпли , к которому мы и направляемся со скоростью 660 километров в секунду. Проблемы начались, когда астрофизики решили сравнить измеренную скорость Местной группы с расчетной, которая выводится из массы сверхскопления Шэпли. Оказалось, что несмотря на колоссальную массу (10 тысяч масс нашей Галактики), оно не могло бы разогнать нас до такой скорости. Более того, построив карту анти-скоростей (карту векторов, которые направлены в сторону, обратную векторам скоростей), ученые нашли область, которая как будто отталкивает нас от себя. Причем расположена она ровно на противоположной стороне от сверхскопления Шэпли и отталкивает именно с той скоростью, чтобы в сумме дать искомые 660 километров в секунду.
Вся притягивательно-отталкивающая конструкция напоминает формой электрический диполь , в котором силовые линии идут от одного заряда к другому.
Классический электрический диполь из учебника физики.
Wikimedia commons
Но
ведь это противоречит всей физике,
которую мы знаем - антигравитации быть
не может! Что же это за чудо такое? Для
ответа давайте представим, что вас
окружили и тянут в разные стороны пятеро
друзей - если они это делают с одинаковой
силой, то вы останетесь на месте, как
будто вас никто не тянет. Однако, если
один из них, стоящий справа, вас отпустит,
то вы будете смещаться влево - в
противоположную от него сторону. Точно
так же вы будете смещаться влево, если
к пяти тянущим друзьям присоединится
шестой, который встанет справа и начнет
не тянуть вас, а толкать.
Отдельно нужно разобраться в том, как определяется скорость в космосе. Есть несколько разных способов, но один из самых точных и часто применимых - это использование эффекта Доплера, то есть измерение смещения спектральных линий. Одна из самых известных линий водорода, Бальмер-альфа, видна в лаборатории как ярко-красное излучение на длине волны 656,28 нанометра. А в галактике Андромеды ее длина уже 655,23 нанометра - более короткая длина волны означает, что галактика движется к нам. Галактика Андромеды - это исключение. Большинство других галактик летит от нас - и линии водорода в них будут пойманы на более длинных волнах: 658, 670, 785 нанометров - чем дальше от нас, тем быстрее летят галактики и тем больше будет смещение спектральных линий в область более длинных волн (это и называется красным смещением). Однако у этого метода есть серьезное ограничение - он может измерить нашу скорость относительно другой галактики (или скорость галактики относительно нас), но как измерить, куда мы летим вместе с той самой галактикой (и летим ли куда-нибудь)? Это как ехать на машине со сломанным спидометром и без карты - какие-то машины обгоняем мы, какие-то машины обгоняют нас, но куда все едут и какова наша скорость относительно дороги? В космосе подобной дороги, то есть абсолютной системы координат, нет. В космосе вообще нет ничего неподвижного, к чему можно было бы привязать измерения.
Ничего, кроме света.
Именно так - свет, точнее тепловое излучение, появившееся сразу после Большого Взрыва и равномерно (это важно) распространившееся по Вселенной. Мы называем его реликтовым излучением. Из-за расширения Вселенной температура реликтового излучения постоянно уменьшается и сейчас мы живем в такое время, что она равна 2,73 кельвина. Однородность - или как говорят физики изотропность - реликтового излучения означает, что в какую сторону неба ни направь телескоп - температура космоса должна быть 2,73 кельвина. Но это если мы относительно реликтового излучения не двигаемся. Однако измерения, проведенные в том числе телескопами Планк и COBE, показали, что температура половины неба чуть меньше этой величины, а второй половины - чуть больше. Это не ошибки измерений, в влияние все того же эффекта Доплера - мы смещаемся относительно реликтового излучения, и поэтому часть реликтового излучения, навстречу которой мы летим со скоростью 660 километров в секунду, кажется нам чуть теплее.
Карта реликтового излучения, полученная космической обсерваторией COBE. Дипольное распределение температуры доказывает наше движение в пространстве - мы удаляемся от более холодной области (синие цвета) в сторону более теплой области (желтые и красные цвета на этой проекции).
DMR, COBE, NASA, Four-Year Sky Map
Карта скоростей местной Вселенной размером примерно 2 миллиарда световых лет. Желтая стрелка по центру выходит из Местной группы галактик и указывает скорость ее движения примерно в направлении аттрактора Шэпли и точно в противоположную сторону от репеллера (обозначен желтым и серым контуром в правой и верхней области).
Yehuda Hoffman et al 2016
Огромное количество звезд и туманностей, а в особенности газ и пыль мешают свету от далеких галактик, расположенных по ту сторону галактического диска, долетать до нас. Лишь недавние наблюдения рентгеновскими и радиотелескопами, которые могут регистрировать излучение, свободно проходящее сквозь газ и пыль, позволили составить более-менее полный список галактик в зоне избегания. В области Великого Отталкивателя действительно оказалось очень мало галактик, так что, похоже, что это кандидат на звание войда - гигантской пустой области космической структуры Вселенной.
В заключение надо сказать, что как бы ни была высока скорость нашего полета сквозь космос, достичь ни Аттрактора Шэпли, ни Великого Аттрактора нам не удастся, - по расчетам ученых, это займет время, в тысячи раз превышающее возраст Вселенной, так что какой бы точной ни становилась наука космография, ее карты еще долго не будут полезными любителям путешествий.
Марат Мусин
Американские астрономы, используя данные, полученные космическим телескопом «Хаббл», недавно смогли впервые в истории определить скорость вращения галактики. Объектом исследования стало Большое Магелланово Облако (БМО), карликовая галактика, обращающаяся вокруг нашей собственной галактики Млечный Путь.
Руководством данного исследования занимался астроном Роланд ван дер Марель, сотрудник Научного института космического телескопа (STScI) в Балтиморе (штат Мэриленд), а также астроном Нитья Кавалиелил, работающий с Университетом Виргинии в Шарлотсвилле.
Группа ученых сосредоточила свое внимание на движение звезд внутри соседней карликовой галактики, а точные данные космического телескопа «Хаббл» позволили исследователям соединить воедино и определить картину скорости вращения Большого Магелланова Облака. Подобное исследование впервые в истории оказалось успешным.
Путем анализа огромного числа звезд, находящихся в центральных частях карликовой галактики, ученые определили, что на полный оборот БМО уходит около 250 миллионов лет. С момента Массового пермского вымирания (одного из самых величайших вымираний всего живого в истории нашей планеты, когда погибло более 90 процентов всех морских видов и более 70 процентов наземных видов позвоночных) эта галактика провернулась всего один раз. Предыдущие исследования показали, что примерно такое же время требуется на один полный оборот Солнца и всей нашей Солнечной системы вокруг ядра Млечного Пути.
Для проведения данного исследования, ученые изучили и подсчитали среднюю скорость более сотни находящихся внутри БМО звезд. Эта задача оказалась относительно простой, так как БМО расположено всего в 170 тысячах световых лет от нас. Для сравнения: диаметр Млечного Пути составляет 100 тысяч лет.
«Изучение соседней галактики путем слежения за движением ее звезд дает нам лучшее представление о внутреннем строении дисковидных галактик. В свою очередь знание о скорости вращения галактики позволяет не только лучше понять то, как галактика образовалась, но и провести подсчет ее массы», - объясняет Кавалиелил.
«БМО является очень важной в плане изучения, потому что она расположена очень близко к Млечному Пути. Изучение самой галактики Млечный Путь представляется весьма сложной задачей, потому что вы фактически изучаете ее изнутри. Все, что вы видите, ограничивается полем зрения на небе. Все интересующие объекты в ней находятся на разных расстояниях и при этом вы сидите практически в ее середине», - продолжает объяснять ван дер Марель.
«Изучать структуру и вращение становится гораздо проще, если предметом исследования является удаленная от вас галактика», - добавляет эксперт.
Группа астрономов из Мэриленда, Гавайев, Израиля и Франции создали самую подробную карту из когда-либо находившихся в нашем районе, показав движение почти 1400 галактик на расстоянии 100 миллионов световых лет Млечного Пути.
Команда реконструировала движения галактик с 13 миллиардов лет в прошлом и по сей день. Основным гравитационным аттрактором в отображаемой области является кластер Девы, в 600 триллионов раз превышающий массу Солнца и в 50 миллионах световых лет от нас.
Более тысячи галактик уже попали в кластер Девы, в то время как в будущем будут отображены все галактики, которые в настоящее время находятся в пределах 40 миллионов световых лет от кластера. Наша галактика Млечный Путь находится за пределами этой зоны захвата. Однако галактикам Млечного Пути и Андромеды, каждая из которых в 2 триллиона раз превышает массу Солнца, суждено столкнуться и слиться через 5 миллиардов лет.
«Впервые мы не только визуализируем детальную структуру нашего локального суперкластера галактик, но и видим, как структура развивается в истории вселенной. Аналогия - это изучение текущей географии Земли от движения тектоники плит», - сказал соавтор Брент Тулли из Института астрономии, Гавайи.
Эти драматические события слияния являются лишь частью более масштабного шоу. В этом томе Вселенной есть два основных шаблона потока. Все галактики в одном полушарии региона, включая наш собственный Млечный Путь, текут к одному плоскому листу. Кроме того, по существу каждая галактика по всему объему течет, как лист в реке, к гравитационным аттракторам на гораздо больших расстояниях.
Вы сидите, стоите или лежите, читая эту статью, и не ощущаете, что Земля вращается вокруг своей оси с бешеной скоростью - примерно 1 700 км/ч на экваторе. Однако скорость вращения не кажется такой уж быстрой, если перевести ее в км/с. Получится 0,5 км/с - едва заметная вспышка на радаре, в сравнении с другими окружающими нас скоростями.
Так же, как и другие планеты Солнечной системы, Земля вращается вокруг Солнца. И чтобы удерживаться на своей орбите, она двигается со скоростью 30 км/с. Венера и Меркурий, находящиеся ближе к Солнцу, двигаются быстрее, Марс, орбита которого проходит за орбитой Земли, движется намного медленнее нее.
Но даже Солнце не стоит на одном месте. Наша галактика Млечный Путь - огромная, массивная и тоже подвижная! Все звезды, планеты, газовые облака, частицы пыли, черные дыры, темная материя - все это движется относительно общего центра масс.
По предположениям ученых, Солнце находится на расстоянии 25 000 световых лет от центра нашей галактики и двигается по эллиптической орбите, совершая полный оборот каждые 220–250 млн лет. Получается, что скорость Солнца - около 200–220 км/с, что в сотни раз выше скорости движения Земли вокруг оси и в десятки раз выше скорости ее движения вокруг Солнца. Вот так выглядит движение нашей Солнечной системы.
Стационарна ли галактика? Снова нет. Гигантские космические объекты обладают большой массой, а следовательно, создают сильные гравитационные поля. Дайте Вселенной немного времени (а оно у нас было - примерно 13,8 миллиардов лет), и все начнет двигаться в направлении наибольшего притяжения. Вот почему Вселенная не однородна, а представляет собой галактики и группы галактик.
Это означает, что Млечный Путь тянут к себе другие галактики и группы галактик, расположенные поблизости. Это означает, что доминируют в этом процессе массивные объекты. И это означает, что не только наша галактика, но и все окружающие испытывают влияние этих «тягачей». Мы все ближе подходим к пониманию того, что происходит с нами в космическом пространстве, но нам все еще не хватает фактов, например:
Однако есть трюк, который поможет нам разобраться.
Вселенную наполняет реликтовое излучение с температурой 2,725 К, которое сохранилось со времен Большого Взрыва. Кое-где есть крошечные отклонения - около 100 мкК, но общий температурный фон постоянен.
Это происходит потому, что Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад и до сих пор расширяется и охлаждается.
Через 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась до такой температуры, что стало возможным образование атомов водорода. До этого фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы: сталкивались с ними и обменивались энергией. По мере остывания Вселенной заряженных частиц стало меньше, а пространства между ними - больше. Фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве. Реликтовое излучение - это фотоны, которые были излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, но избежали рассеяния, так как рекомбинация уже началась. Они достигают Землю сквозь пространство Вселенной, которая продолжает расширяться.
Вы сами можете «увидеть» это излучение. Помехи, которые возникают на пустом канале телевизора, если вы используете простую антенну, похожую на заячьи уши, на 1% вызваны реликтовым излучением.
И все-таки температура реликтового фона не одинакова во всех направлениях. По результатам исследований миссии Planck, температура несколько различается в противоположных полушариях небесной сферы: она немного выше на участках неба южнее эклиптики - около 2,728 K, и ниже в другой половине - около 2,722 K.
Карта микроволнового фона, сделанная при помощи телескопа Planck.
Эта разница почти в 100 раз больше остальных наблюдаемых колебаний температуры реликтового фона, и это вводит в заблуждение. Почему так происходит? Ответ очевиден - эта разница происходит не из-за флуктуаций реликтового излучения, она появляется, потому что есть движение!
Когда вы приближаетесь к источнику света или он приближается к вам, спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону коротких волн (фиолетовое смещение), когда отдаляетесь от него или он от вас - спектральные линии смещаются в сторону длинных волн (красное смещение).
Реликтовое излучение не может быть более или менее энергичным, значит, мы движемся сквозь пространство. Эффект Доплера помогает определить, что наша Солнечная система движется относительно реликтового излучения со скоростью 368 ± 2 км/с, а местная группа галактик, включающая Млечный Путь, галактику Андромеды и галактику Треугольника, движется со скоростью 627 ± 22 км/с относительно реликтового излучения. Это так называемые пекулярные скорости галактик, которые составляют несколько сотен км/с. Помимо них существуют еще космологические скорости, обусловленные расширением Вселенной и рассчитываемые по закону Хаббла.
Благодаря остаточному излучению от Большого Взрыва мы можем наблюдать, что во Вселенной постоянно все движется и изменяется. И наша галактика - лишь часть этого процесса.
Тем временем, наша местная группа мчится по направлению к центру скопления Девы (Virgo Cluster) на скорости 150 миллионов километров в час.
Млечный Путь и соседка Андромеда, наряду с 30 более мелкими галактиками, а также тысячи галактик Девы, все это притягивается Великим аттрактором. Учитывая скорости при таких масштабах, невидимая масса, занимающая пустоты между галактиками и кластерами галактик, должна по меньшей мере в десять раз превышать видимую материю.
Даже при всем этом, добавив этот невидимый материал к видимому материалу и получив среднюю массу вселенной, мы получим всего 10-30 % от критической плотности, которая необходима, чтобы «закрыть» вселенную. Этот феномен позволяет предположить, что вселенная «открыта». Космологи продолжают спорить на эту тему точно так же, как пытаются , или «темной материи».
Считается, что определяет структуру Вселенной на огромных масштабах. Темная материя гравитационно взаимодействует с нормальным веществом и именно это позволяет астрономам наблюдать формирование длинных тонких стен супергалактических кластеров.
Недавние измерения (с помощью телескопов и космических зондов) распределения массы в M31, крупнейшей галактике в окрестностях Млечного Пути, и других галактиках привели к признанию того факта, что галактики наполнены темной материей, и показали, что таинственная сила - - заполняет вакуум пустого пространства, ускоряя расширение Вселенной.
Теперь астрономы понимают, что окончательная судьба вселенной неразрывно связана с наличием темной энергии и темной материи. Современная стандартная модель для космологии предполагает, что во вселенной 70 % темной энергии, 25 % темной материи и всего 5 % нормальной материи.
Мы не знаем, что такое темная энергия и почему она существует. С другой стороны, теория частиц подсказывает, что на микроскопическом уровне даже идеальный вакуум пузырится квантовыми частицами, которые являются естественным источником темной энергии. Но элементарные расчеты показывают, что темная энергия, которая вырабатывается из вакуума, имеет значение в 10 120 раз больше, чем то, которое мы наблюдаем. Некоторые неизвестные физические процессы должны устранять большинство, но не всю, энергию вакуума, оставляя достаточно для ускорения расширения вселенной.
Новой теории элементарных частиц придется объяснить этот физический процесс. Новые теории «темных аттракторов» прикрываются так называемым принципом Коперника, который говорит о том, что нет ничего удивительного в том, что мы, наблюдатели, предполагаем, что вселенная неоднородна. Такие альтернативные теории объясняют наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной без привлечения темной энергии, а вместо этого предполагают, что мы недалеко от центра пустоты, за которой более плотный «темный» аттрактор тянет нас к себе.
В статье, опубликованной в Physical Review Letters , Пенгжи Чжан из Шанхайской астрономической обсерватории и Альберт Стеббинс на выставке лаборатории Ферми показали, что популярная модель пустоты и многие другие вполне могут заменить темную энергию, не вступая в противоречия с наблюдениями телескопов.
Опросы показывают, что вселенная однородна, по меньшей мере, на масштабах до гигапарсека. Чжан и Стеббинс утверждают, что если большие масштабы неоднородности существуют, они должны быть обнаружены как температурный сдвиг в космическом микроволновом фоне реликтовых фотонов, образовавшихся спустя 400 000 лет после Большого Взрыва. Это происходит из-за электронно-фотонного рассеяния (обратного Комптоновскому).
Сосредоточив внимание на модели пустоты «пузырь Хаббла», ученые показали, что в таком сценарии некоторые области вселенной будут расширяться быстрее, чем другие, в результате чего температурный сдвиг будет больше, чем ожидается. Но телескопы, изучающие реликтовое излучение, не видят такого большого сдвига.
Что ж, как говорил Карл Саган, «экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств».
