Гігантське кільце гамма-сплесків і передбачувана великомасштабна структура, пов'язана з ним. Можливо, звичайно, що це лише псевдоструктура, і ми обманюємо себе, вважаючи, що ця освіта простягається на багато мільярдів світлових років
Протягом майже всієї історії людства одне з уявлень про наше місце у Всесвіті довго ніхто не заперечував: наша планета, Земля, є нерухомим центром космосу. Цьому відповідали всі спостереження:
- небеса - включаючи зірки, туманності і Чумацький Шлях, обертаються над нашою головою;
- тільки кілька джерел світла - такі, як Сонце, Місяць і планети - рухаються щодо цього обертового фону;
- жоден з експериментів не демонстрував обертання Землі або паралаксу зірок.
Ідея про те, що Земля обертається навколо своєї осі і рухається по орбіті навколо Сонця здавалася якоюсь кумедною вигадкою, яку всерйоз розглядали лише кілька стародавніх філософів на кшталт Аристарха Самоського або Архімеда. Геоцентрична схема Птолемея працювала краще за будь-яку іншу модель в описі руху небесних тіл, до тих пір, поки Кеплер не постулював еліптичні орбіти в XVII столітті.
Однак, ймовірно, більш сильна революція сталася на сотню років раніше, коли Микола Коперник відродив ідею про те, що Землю варто відвести від привілейованого положення в центрі Всесвіту. Сьогодні принцип Коперника, який говорить про те, що ні ми, ні хто-небудь ще, не займаємо особливого місця у Всесвіті, є наріжним каменем сучасної космології. Але чи він вірний? Детально вивчімо свідчення.
Рух Марса з грудня 2013 по липень 2014 року. Марс рухався з правого нижнього кута діаграми в лівий верхній до лютого, потім сповільнився, зупинився, пішов назад, потім в травні знову сповільнився і зупинився, і, нарешті, повернувся на перший шлях. Раніше це вважалося свідченням наявності епіциклів, але тепер ми знаємо, що це не так.
Модель Сонячної системи від Коперника, вперше сформульована 500 років тому, пропонувала цікаву альтернативу загальноприйнятому поясненню.
Згідно з однією з класичних ідей, всі інші планети, крім Землі, рухалися навколо Сонця по колу, при цьому обертаючись по невеликих окружностях, які в свою чергу рухалися по великих окружностях. Така схема давала певну траєкторію для кожної планети, відповідно до якої більшу частину року планети на небосвіді рухалися в певному напрямку по відношенню до зірок, але на якийсь час вони, здавалося, зупинялися, звертали рух назад, а потім знову йшли в звичайному напрямку.
Це явище, відоме, як ретроградний рух планет, довгий час служило свідченням проти кругових геліоцентричних орбіт. Одним з найбільших проривів Коперника - принаймні, виходячи з історичних свідчень, адже трактат Аристарха Самоського не дійшов до нас - стала демонстрація того, що якщо внутрішні планети рухаються по орбітах швидше зовнішніх, то їх періодичний ретроградний рух можна пояснити, не вдаючись до епіциклів або кіл у колах.
Однією з найбільших загадок XVI століття було те, чому планети рухаються ретроградно. Її можна було пояснити або геоцентричною моделлю Птолемея (ліворуч), або геліоцентричною моделлю Коперника (праворуч). Щоправда, жодному з них не вдалося описати систему з довільною точністю.
Якщо Землі не потрібно займати особливе становище у Всесвіті, тоді нею, і всім іншим, повинні керувати одні й ті ж фізичні закони. Планети обертаються навколо Сонця, місяця - навколо планет, і навіть на всі об'єкти, що падають на поверхню Землі, повинні діяти одні й ті ж універсальні закони. Понад століття пішло на те, щоб пройти від оригінальної ідеї Коперника до відкриття першого успішного закону гравітації. Ще понад сто років знадобилося, щоб перевірити його безпосередньо. Однак геліоцентрична модель Коперника виявилася правильною.
Сьогодні ми розширили принцип Коперника до межі. Наша планета, наша Сонячна система, наше місце в Галактиці, розташування Чумацького Шляху у Всесвіті - та й взагалі всі планети, зірки і галактики не повинні нічим виділятися. У Всесвіті не тільки весь час і повсюдно повинні діяти одні і ті ж закони - не повинно бути нічого особливого або виділяється біля будь-якого місця і будь-якого напрямку у всьому космосі.
Симуляція великомасштабної структури Всесвіту. Космологи тільки сьогодні починають підступатися до завдання визначення того, які регіони виявилися досить масивними і щільними для того, щоб відповідати зоряним скупченням, галактикам, галактичним скупченням, і на яких масштабах і в яких умовах вони сформувалися.
Це, звичайно, теж лише припущення. Ми припускаємо, що всесвіт однаковий за всіма напрямками - ізотропний - і однаковий у всіх місцях - гомогений, принаймні на найбільших масштабах, але щоб перевірити це на ділі, нам потрібно вирішити два завдання.
1. Нам потрібно кількісно оцінити ці величини. Одна справа - заявити, що Всесвіт ізотропний і гомогений, і зовсім інша - зрозуміти, на якому рівні він ізотропний і гомогений, і на якому рівні анізотропність і негомогеність починають грати якусь роль? Адже якщо виміряти середню щільність Всесвіту, вийде щось близько одного протона на кубічний метр - тільки Земля в 1030 разів щільніше середнього значення, з чого очевидно випливає негомогенність Всесвіту!
2. Нам потрібно виміряти Всесвіт і все перевірити. Ми очікуємо, що на великих космічних масштабах Всесвіт буде дуже близький до ідеальної однорідності - ізотропності і гомогенності. Однак на всіх масштабах повинна проявлятися анізотропність і негомогенність, і спостереження повинні продемонструвати, наскільки точно недосконалий Всесвіт.
І якщо теорія сильно не збігається зі спостереженнями, у нас з'явиться проблема, яка змусить нас поставити під сумнів дієвість принципу Коперника.
Квантові флуктуації, що відбуваються під час інфляції, розтягуються на весь Всесвіт, і в кінці інфляції перетворюються на флуктуації щільності речовини. Це з часом призводить до появи великомасштабної структури - такої, яку ми спостерігаємо в нашому Всесвіті, а також до флуктуацій температури, наявних у реліктовому випромінюванні. Подібні нові передбачення необхідні для підтвердження достовірності пропонованого механізму тонкої підбудови.
Наскільки ми розуміємо, всесвіт з'явився не просто з Великого вибуху, але зі стану, відомого, як космічна інфляція, що передував і породив Великий вибух. Під час інфляції Всесвіт не складався з матерії та випромінювання, в ньому домінувала форма енергії, притаманна самій тканині простору. Квантові флуктуації з розширенням Всесвіту розтягнулися по всьому його обсягу. Коли ця фаза і інфляція закінчилися, притаманна простору енергія перетворилася на матерію, антиматерію і випромінювання, породивши Великий вибух.
Квантові флуктуації в цьому важливому переході перетворилися на флуктуації щільності: ділянки, де щільність була трохи вище або трохи нижче середнього. Судячи з спостережених нами флуктуацій у реліктовому випромінюванні і великомасштабній структурі Всесвіту, ми знаємо, що їх рівень дорівнює близько 1/30 000, і рідко, приблизно в 0,01% випадків, ви можете виявити флуктуацію в чотири рази більше. На всіх масштабах, великих і дрібних, Всесвіт народився майже ідеально гомогенним - майже, але не зовсім.
З поліпшенням супутників збільшуються їх можливості зондувати менші масштаби, більше діапазонів частот і менші різниці в температурах реліктового випромінювання. Зверніть увагу на існування флуктуацій у лівій частині графіка: навіть на найбільших масштабах Всесвіт народився не ідеально гомогенним.
Якщо ви хочете, щоб у вашому всесвіті сформувалися гравітаційно пов'язані структури, незалежно від масштабів, вам доведеться почекати. Повинно пройти достатньо часу для того, щоб:
- виросли ділянки з початку більш високою щільністю, лише трохи перевершує середню;
- а це станеться тільки тоді, коли космічний горизонт, тобто, відстань, яка може пройти світло, що йде від одного кінця до іншого, стане більше просторового масштабу цих флуктуацій;
- і вони повинні зрости з рівня в 0,003% до 68% - це критичне значення, що веде до гравітаційного колапсу і швидкого (нелінійного) гравітаційного зростання;
- і тільки після цього зможуть з'явитися такі спостережувані особливості, як квазари, галактики і збагачені хмари міжзіркового газу.
У середньому це означає, що при перевищенні певних відстаней шанси отримати зв'язкові космічні структури малі, а на відстанях менших цих масштабів подібні структури повинні бути досить поширеними. Хоча повна ймовірність того, що саме ймовірно, а також ймовірність того, що це відбудеться, ще недостатньо вивчена, загальне очікування полягає в тому, що великі зв'язкові космічні структури повинні зникати на масштабах більше 1-2 мільярдів світлових років. Моделі та спостереження за галактиками дають схожі великомасштабні патерни кластеризації.
Симуляції (червоні) і спостереження за галактиками (сині/фіолетові) дають однакові великомасштабні патерни кластеризації. За відсутності темної матерії багато з цих структур відрізнялися б не просто в деталях, а взагалі не існували б. Галактики зустрічалися б рідко і містили б майже виключно лише легкі елементи. Найбільші галактичні стіни не перевищують 1 млрд світлових років у поперечнику.
Однак спостереження дали нам не зовсім ту картину, яку ми очікували. Роки до 2010-го наші пошуки великомасштабних структур відкрили існування гігантських «стін» Всесвіту: галактик, що групуються на космічних масштабах, і формують пов'язані структури, що простягаються на сотні мільйонів світлових років - максимум до 1,4 млрд світлових років. Але за останнє десятиліття були відкриті кілька структур, які, судячи з усього, виходять за цю межу:
- Huge LQG, або величезна група квазарів - група з 73 квазарів, що формує структуру розміром близько 4 млрд світлових років;
- велика стіна Геркулес - Північна Корона - скупчення близько 20 гамма-сплесків, що видають структуру, що простягається на 10 млрд світлових років;
- на недавній 238-й зустрічі американської астрономічної спільноти дослідники під керівництвом Алексії Лопес представили свідчення існування гігантської арки з іонізованого газоподібного магнію, яку знайшли при вивченні поглинання випромінювання фонових квазарів. За результатами дослідження довжина цієї структури повинна дорівнювати близько 3,3 млрд світлових років.
Велика структура, знайдена в результаті спостережень, начебто спростовує гомогенність на великих масштабах. Чорні плями - це іонізований газоподібний магній, виявлений за особливостями поглинання світла фонових квазарів (блакитних точок). Але чи насправді це реальна єдина структура - поки незрозуміло.
На перший погляд, ці структури величезні - навіть занадто величезні для того, щоб вкладатися у звичну для нас картину Всесвіту. Але нам потрібно дуже, дуже обережно обходитися з заявами про те, що наш Всесвіт не гомогений на великих масштабах - особливо тому, що проти цього у нас є безліч свідчень. У своїй значущій роботі космолог Сеш Надатур після докладного вивчення цих структур висунув два цікавих припущення:
- Якщо створювати штучні дані, які не містять ніяких структур у космічних масштабах, великих певних значень, алгоритм пошуку структур все одно може повідомити вам, що ви знайшли структуру - хоча це буде лише ознакою його недосконалості.
- Наявність ознак таких великомасштабних структур сама по собі не спростовує стандартну космологічну модель. Потрібно кількісно оцінити, наскільки поширеність таких структур несумісна з передбаченнями. Наприклад, можна виміряти фрактальну розмірність Всесвіту і порівняти його з передбаченнями, що стосуються всесвіту, заповненого темною матерією і темною енергією. Жодна з груп, які заявляли, що ці структури порушують гомогенність на великих масштабах, таких оцінок не робила.
Якщо кинути на підлогу велику кількість сірників, у них можна буде знайти закономірності, пов'язані з угрупованням. Якщо на підлозі знайдуться послідовності з декількох сірників поспіль, їх легко буде прийняти за великомасштабну структуру.
На перше питання намагаються відповісти кілька останніх робіт, а ось друге поки залишається без відповіді. Один з варіантів уявити собі це завдання - уявити, що у вас є коробка з дуже великою кількістю сірників, і ви перекидає її на підлогу, даючи сірникам вільно розкотитися по підлозі. Отримана структура буде частково, але не повністю випадковою. Ви побачите в ній закономірності, пов'язані з угрупованням
Частина сірників лежатиме окремо. Деякі будуть вибудовуватися в лінії з 2, 3, 4 або навіть 5 сірників поспіль. Вам попадуться навіть послідовності з 8-10 сірників, які ви не очікували побачити.
Що, однак, станеться, якщо у вас буде одна група з 4-5 сірників поспіль, розташована поблизу іншої такої групи? Є ризик, що ви вирішите, ніби виявили групу з 8-10 сірників, особливо, якщо ваші інструменти пошуку кореляцій будуть недосконалими. Хоча у нас є вже досить багато прикладів подібних структур, чиї розміри перевершили наші очікування, жодну зі структур довжиною понад 1,4 млрд світлових років поки не визнали визначено реальною.
На картинці показано два великих скупчення квазарів: група квазарів Кловес-Кампусано (червоним) і величезна група квазарів (чорним). Всього в двох градусах від них була знайдена ще одна група. Але поки неясно, чи є ці квазари незалежними, чи входять в одну великомасштабну структуру.
Деякі важливі моменти, пов'язані з гомогенністю Всесвіту на найбільших масштабах, примудряються втратити більшість людей - і навіть більшість астрономів. Наприклад, у нас все ще недостатньо даних. Ми не визначили більшість галактик, що стоять за цими квазарами, газовими хмарами і гамма-сплесками. Обмежившись якісними даними зі спостережень за галактиками, ми не знаходимо структур більше, ніж 1,4 млрд світлових років у поперечнику.
Крім того, Всесвіт не народився ідеально гомогенним, недосконалості були у нього на всіх масштабах. Кілька великих, рідкісних (але не сильно) флуктуацій можуть стати найпростішим поясненням нашого спостереження цих великомасштабних структур, що перевищують за розмірами те, що ми передбачали.
Якщо виявиться, що ці структури несподівано великого розміру насправді реальні, це похитне не тільки припущення, пов'язані з гомогенністю, але і самі основи сучасної космології і принципу Коперника. Однак до того, як ці свідчення стануть однозначними, потрібно подолати ще кілька перешкод. Це цікава тема для досліджень - але точно так само, як не варто ставити на попередні результати, що спростовують теорію Ейнштейна, не потрібно робити ставки і проти Коперника.