АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыМатериалы БРЭСпецпроектыСтать автором
Настроить видСменить язык
О РУВИКИ
Ответ на вопрос

Космические пустоты

Pause

Пусто́ты, косми́ческие пусто́ты, а также во́йды (англ. void — «пустота») — обширные области между галактическими нитями, в которых отсутствуют или почти отсутствуют галактики и скопления. Войды обычно имеют размеры порядка 10—100 мпк. Средняя плотность материи в них менее десятой доли от типичной для наблюдаемой Вселенной[1][2].

Космические пустоты впервые были обнаружены в 1978 году Стефаном Грегори и Лэрдом Томпсоном в Национальной обсерватории Китт Пик[3].

Открытие

Космические пустоты стали объектом изучения астрофизики в середине 1970-х годов, когда астрономические обзоры, измеряющие красное смещение, стали более популярными и позволили двум независимым группам астрофизиков в 1978 году распознать сверхскопления и войды в пространственном распределении галактик. Новые обзоры добавили в двухмерные карты космических структур «глубину», позволив начать создавать первые трёхмерные карты наблюдаемой Вселенной. В этих обзорах расстояние до галактик рассчитывалось из величин их красного смещения, возникающего из-за расширения Вселенной в соответствии с законом Хаббла[4][5][6].

Хронология

  • 1961 — внимание астрономического сообщества привлекают крупномасштабные структурные элементы, такие как «скопления второго порядка» (англ. second-order clusters), один из типов сверхскопления[7];
  • 1978 — опубликованы первые две работы на тему пустот в крупномасштабной структуре, в которых говорится об обнаруженных спереди от скопления Волос Вероники войдах[4][5];
  • 1981 — обнаружен крупный войд в созвездии Волопаса[8][9];
  • 1983 — стало возможным достаточно сложное, чтобы дать относительно достоверный результат вычислений для эволюции крупномасштабной структуры, компьютерное моделирование, и оно дало представление об основных особенностях крупномасштабного распределения галактик[10][11];
  • 1985 — исследование элементов крупномасштабной структуры в области сверхскопления Персея-Рыб (в том числе войдов)[12];
  • 1989 — The Center for Astrophysics Redshift Survey показал, какие структуры превалируют в наблюдаемой Вселенной в крупном масштабе[13];
  • 1991 — The Las Campanas Redshift Survey подтвердил большую распространённость войдов в крупномасштабной структуре[14];
  • 1995 — сравнения исследований галактик показывают, что войды обнаруживаются независимо от выбора области[15];
  • 2001 — Field Galaxy Redshift Survey добавил в каталог войдов большое количество новых записей[16];
  • 2009 — данные Sloan Digital Sky Survey в сочетании с данными предыдущих крупных обзоров дали наиболее полное представление о детальной структуре войдов[17][18][19].

Наблюдаемые характеристики

undefined

Космические пустоты — одни из крупнейших образований в природе, занимающие основную часть пространства во Вселенной[20]. Главная особенность данных структур заключается в том, что в войдах плотность видимой материи значительно ниже её средней плотности во Вселенной[1]. Будучи главными элементами крупномасштабной структуры, войды разграничиваются галактическими нитями[21].

Средний размер таких пустот достигает 40 мегапарсеков (≈130 млн св. лет), однако во Вселенной присутствуют более масштабные пустоты — супервойды (англ. supervoids), средний диаметр которых составляет 100 мпк[22]. Одним из крупнейших обнаруженных супервойдов является «Гигантский войд» с диаметром в 300—400 мпк[23].

В пустотах могут быть «тёмная энергия» и протогалактические облака. Кроме того, по опубликованным в 2014 году данным астрономы из Университета Пенсильвании обнаружили в войдах небольшие искажения в направлениях распространения света, создаваемые, предположительно, тёмной материей. Для этого были использованы данные Слоановского цифрового небесного обзора для 40 миллионов галактик и 20 тысяч войдов[24].

Формирование

По современным представлениям, на самых ранних стадиях расширения Вселенной вещество было распределено почти идеально однородно[2]. В фазу инфляции малые по величине и случайно возникающие квантовые флуктуации полей стремительно разрастались[25]. Они привели к неоднородностям плотности материи, которые в дальнейшем развивались благодаря гравитационной неустойчивости. Нелинейный рост возмущений вызвал преимущественное сжатие материи вдоль одного из направлений, из-за чего вещество концентрировалось на каустиках, которые далее пересекались и стали нитями. Соответственно, пустотами стали места с весьма низкой плотностью материи. В итоге образовалась наблюдаемая структура Вселенной с сохранением крупномасштабной однородности и изотропности[26][27].

Была подтверждена возможность формирования сети нитей и пустот по описанному выше сценарию, но только если учитывать сильное влияние тёмной материи[2]. Поэтому считается, что ключевую роль в процессе сыграли неоднородности плотности именно тёмной материи[27]. Без её неравномерного распределения развивающиеся возмущения плотности видимого вещества не смогли бы вырасти настолько, чтобы образовать наблюдаемый облик Вселенной[2].

Алгоритмы поиска

На сегодняшний день существует несколько способов поиска космических пустот, но практически все можно распределить в 3 основные категории алгоритмов[28].

VoidFinder

В этом способе используется каждая галактика в каталоге в качестве цели, а затем изучается Приближение ближайшего соседа (англ. Nearest Neighbor Approximation) для расчёта космической плотности в области, содержащейся в сферическом радиусе, определяемом расстоянием до третьей ближайшей галактики. Одной из полезных особенностей войдных областей является то, что их границы очень чёткие и определённые, со средней космической плотностью, которая начинается с 10% в теле и быстро возрастает до 20% на краях, а затем до 100% в стенах непосредственно за краями. Остальные стены и перекрывающиеся области пустот затем разбиваются на отдельные и переплетающиеся зоны галактических нитей, кластеров и почти пустых пустот соответственно. Любое перекрытие более 10% с уже известными пустотами считается субобластью внутри этих известных пустот. Все пустоты, допущенные в каталог, имели минимальный радиус 10 мпк, чтобы гарантировать, что все идентифицированные войды не были случайно каталогизированы из-за ошибок выборки[29][30].

Этот метод обеспечивает быстрый и эффективный способ стандартизации каталогизации пустот. После того, как сферические ячейки извлечены из всех данных структуры, каждая ячейка расширяется до тех пор, пока недостаточная плотность не вернётся к средним ожидаемым значениям плотности стенок[29][30].

ZOBOV

В 2008 году Марк Нейринк представил алгоритм ZOBOV (ZOnes Bordering On Voidness, букв. зоны, граничащие с пустотностью). Он использует технику тесселяции Вороного и имитирует частицы границы, чтобы классифицировать регионы на основе контрастной границы высокой плотности с очень низкой степенью смещения. У алгоритма нет свободных параметров, он в основном находит небольшие и тривиальные пустоты, хотя он придаёт статистическую значимость каждой найденной пустоте. Процесс также включает «подпустоты» (англ. subvoids), что вносит неясность в классификацию космических пустот[31][32].

Кроме того, программа VOID (Void IDentification and Examination), созданная для для поиска космических пустот в исследованиях красного смещения галактик, основывается на ZOBOV[33].

DIVA

Третий метод — Dynamical void analysis, DIVA (букв. динамический анализ пустот). Его особенность в том, что алгоритм определяет космические пустоты в нетрадиционном ключе — как области, из которых выходит вещество, что соответствует уравнению состояния тёмной энергии w. Центры пустот тогда считаются максимальным источником поля смещений, обозначаемого как Sψ. Формулировка была задумана астрофизиками Гильемом Лаво и Бенджамином Вандельтом с целью определения космических пустот, позволяющих проводить точные аналитические расчёты их динамических и геометрических свойств. Благодаря этому применение DIVA позволяет тщательно исследовать эллиптичность космических пустот и то, как они развиваются в крупномасштабной структуре, что впоследствии привело к классификации на три различные типа пустот — True voids, Pancake voids, and Filament voids (букв. настоящие пустоты, пустоты-блины и пустоты из нитей соответственно)[28].

См. также

Литература

Примечания

  1. ↑ 1 2 Элыив А. А., Караченцев И. Д., Караченцева В. Е., Мельник О. В., Макаров Д. И., 2013.
  2. ↑ 1 2 3 4 Крупномасштабная структура Вселенной. Энциклопедия Кругосвет. Дата обращения: 10 января 2024. Архивировано 22 апреля 2017 года.
  3. ↑ Freedman R. A., Kaufmann W. J., 2001.
  4. ↑ 1 2 Gregory S. A., Thompson L. A., 1978.
  5. ↑ 1 2 Einasto J., 2010.
  6. ↑ Rex A. F., 1998.
  7. ↑ Abell G. O., 1961, с. 607.
  8. ↑ Kirshner R. P., Oemler A. Jr., Schechter P. L., Shectman S. A., 1981.
  9. ↑ Kirshner R. P., Oemler A. Jr., Schechter P. L., Shectman S. A. 1987, 1987.
  10. ↑ Melott A. L., 1983.
  11. ↑ Frenk C. S., White S. D. M., Davis M., 1983.
  12. ↑ Giovanelli R., Haynes M. P., 1985.
  13. ↑ Geller M. J., Huchra J. P., 1989.
  14. ↑ Shectman S. A., Landy S. D., Oemler A., Tucker D. L. et al., 1996.
  15. ↑ Fisher K. B., Huchra J. P., Strauss M. A., Davis M. et al., 1995, с. 69.
  16. ↑ Colless M., Dalton G., Maddox S., Sutherland W. et al., 2001.
  17. ↑ Abazajian K. N., Adelman-McCarthy J. K., Agüeros M. A., Allam S. S. et al., 2009.
  18. ↑ Thompson L. A., Gregory S. A., 2011.
  19. ↑ Mao Q., Berlind A. A., Scherrer R. J., Neyrinck M. C. et al., 2017.
  20. ↑ van de Weygaert R., Platen E., 2011.
  21. ↑ Platen E., van de Weygaert R., Jones B. J. T., 2008.
  22. ↑ Lindner U., Einasto J., Einasto M., Freudling W. et al., 1995.
  23. ↑ Kopylov A. I., Kopylova F. G., 2002.
  24. ↑ Астрономы обнаружили материю в войдах. Lenta.ru. Дата обращения: 11 января 2024. Архивировано 15 сентября 2016 года.
  25. ↑ Эксперимент BICEP2 подтверждает важнейшее предсказание теории космической инфляции. Элементы. Дата обращения: 11 января 2024. Архивировано 22 марта 2015 года.
  26. ↑ Лукаш В. Н., Михеева Е. В., 2011.
  27. ↑ 1 2 12.4 Образование крупномасштабной структуры Вселенной. Российская Астрономическая Сеть. Дата обращения: 11 января 2024. Архивировано 23 апреля 0217 года.
  28. ↑ 1 2 Lavaux G., Wandelt B. D., 2010.
  29. ↑ 1 2 El-Ad H., Piran T., 1997.
  30. ↑ 1 2 Pan D. C., Vogeley M. S., Hoyle F., Choi Y.-Y. , Park C., 2012.
  31. ↑ Neyrinck M. C., 2008.
  32. ↑ Sutter P. M., Lavaux G., Wandelt B. D., Weinberg D. H., 2013.
  33. ↑ Sutter P. M., Lavaux G., Hamaus N., Pisani A. et al., 2015, с. 1.

Ссылки

Дополнительно по теме

Категории

Pause