Войд Волопаса

Войд Волопаса был открыт в 1981 году^[8]. Американские астрономы Роберт Киршнер из Мичиганского университета, Пол Шехтер из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) и их коллеги измеряли красные смещения галактик ярче звёздной величины 16,3 (в фотометрической полосе R) в трёх избранных участках Северного полушария неба, отстоящих друг от друга на 35°, и подсчитывали количество галактик с определёнными значениями красного смещения. Всего были измерены красные смещения 133 галактик. Теоретические расчёты предсказывали, что в случае однородного распределения галактик во Вселенной максимальное их количество наблюдалось бы при космологическом красном смещении ${\displaystyle z=0,\!05}$, соответствующем скорости хаббловского убегания галактик (обусловленного расширением Вселенной) ${\displaystyle v\approx cz=}$ 15 тысяч км/с (где ${\displaystyle c}$ — скорость света). Наблюдения же, напротив, показали недостаток галактик в диапазоне красных смещений ${\displaystyle z\approx 0,\!04-0,\!06}$ (соответствующем интервалу скоростей убегания 12—18 тысяч км/с), в котором наблюдалась всего одна галактика (рис. 1)^[8][5][9].

Исследователи объяснили эту аномалию наличием огромной почти пустой области (пусто́ты) с необычайно низкой концентрацией галактик. Поскольку угловое расстояние между наблюдавшимися участками неба составляло 35°, угловой размер данной пусто́ты должен был быть не меньше этой величины. При красном смещении 0,05 это соответствовало физическому размеру 80 h^–1 Мпк, где h — современное значение параметра Хаббла, выраженное в единицах 100 км/(с ∙ Мпк). Следовательно, размер пусто́ты составлял ~100 Мпк (или сотни световых лет), а объём ~10⁶ Мпк^3[8].

С ближней и дальней сторон от данной пусто́ты, при красных смещениях 0,03—0,04 и 0,065—0,08^[5] (соответствующих скоростям хаббловского убегания галактик около 9 и 21 тысяч км/с^[8]), напротив, наблюдались области повышенной концентрации галактик. Причём, наблюдаемая концентрация галактик значительно превышала теоретически предсказанное значение (рис. 1). Физический размер дальнего сгущения галактик в направлении, перпендикулярном лучу зрения, составлял не менее 100 h^–1 Мпк^[8][5]. Эти ближнее и дальнее сгущения впоследствии были отождествлены со сверхскоплениями галактик Геркулеса и Северной Короны соответственно^[5].

Существование войда было подтверждено теми же исследователями в 1987 году с высоким уровнем статистической значимости на основании более тщательного подсчёта галактик в 283 участках небесной сферы размером 15′, расположенных между тремя первоначальными участками. На этот раз красные смещения были измерены для 293 галактик. Результаты исследования показали, что открытая ранее область с дефицитом галактик имеет приблизительно сферическую форму, и её радиус был оценён в 62 Мпк при выборе значения постоянной Хаббла H₀ = 50 км/(с · Мпк)^[10]. Астрономы также обнаружили, что войд содержит несколько необычных галактик, обладающими сильными эмиссионными спектрами^[10].

После открытия войда он стал объектом активных исследований разными группами астрономов, в том числе с помощью инфракрасной орбитальной обсерватории IRAS^[9]. В том же, 1987 году Киршнер и его коллеги опубликовали результаты наблюдения 8 галактик в войде^[11]. В 1988 году американские астрономы Майкл Страусс из Калифорнийского университета в Беркли и Джон Хукра из CfA объявили об открытии нескольких новых галактик по данным наблюдений обсерватории IRAS^[12], а в 1989 году группа астрономов из Мичиганского университета и CfA заявила об открытии ещё 15 галактик^[13]. К 1997 году стало известно о 60 галактиках в войде^[4].

Центр войда Волопаса имеет следующие экваториальные координаты на небесной сфере: α = 14^ч 50^м и δ = 46°^[10]. Космологическое красное смещение центра войда составляет около ${\displaystyle z=0,\!052}$^[4] (что соответствует скорости хаббловского убегания галактик ${\displaystyle v\approx cz=}$ 15 500 км/с^[10]). Следовательно, он удалён от нашей Галактики на расстояние около 700 млн световых лет^[4].

Войд Волопаса имеет почти сферическую форму, т. е. примерно одинаковые размеры в разных направлениях^[10] (рис. 2). Он занимает интервал космологических красных смещений ${\displaystyle 0,\!041<z<0,\!062}$^[14]. Первоначально Киршнер и его коллеги оценивали радиус войда в 62—63 Мпк^[10][15] (около 200 млн световых лет). Однако это было связано с принятым ими устаревшим значением постоянной Хаббла H₀ = 50 км/(с · Мпк)^[10][15]. При значении H₀ = 75 км/(с · Мпк), более близком к принятому ныне, радиус войда получается равным 42 Мпк (137 млн световых лет)^[14] (соответственно, диаметр — 84 Мпк, или 274 млн световых лет).

Современные оценки размеров войда составляют около 250—330 млн световых лет в поперечнике^[2]. В то же время средние размеры войдов обычно не превышают 20—25 Мпк (65—80 млн световых лет)^[3], вследствие чего войд Волопаса является одним из крупнейших войдов и иногда называется супервойдом. По словам американского астронома из Мичиганского университета Грегори Олдеринга (англ. Gregory Aldering), размер войда таков, что «если бы Млечный Путь находился в его центре, мы не узнали бы о существовании других галактик до 1960-х годов»^[6]. При указанном диаметре войда его объём составляет (2,4—4,1) · 10⁵ Мпк³.

Всего в войде Волопаса обнаружено 60 галактик, причём их распределение имеет форму трубки, проходящей через войд. В случае же однородного распределения галактик во Вселенной, если в качестве приблизительной оценки принять среднее расстояние между галактиками равным 10 млн световых лет (что в 4 раза больше расстояния между Млечным Путём и Туманностью Андромеды), то в войде должно было бы находиться не менее 2000 галактик^[2].

Войд Волопаса окружён несколькими крупными сверхскоплениями галактик^[5], среди которых сверхскопление Геркулеса, сверхскопление Северной Короны и сверхскопление Волопаса^[4] (рис. 2). Причём, сверхскопление Геркулеса образует часть ближнего края войда, а сверхскопление Северной Короны — часть дальнего края^[5].

Войды образуются и увеличиваются в процессе формирования крупномасштабной структуры Вселенной вследствие гравитационной неустойчивости. По современным представлениям, на ранних стадиях расширения Вселенной вещество в ней было распределено почти однородно, за исключением небольших флуктуаций (первичных возмущений) плотности. Гравитационное тяготение постепенно замедляло расширение чуть более плотных участков, вследствие чего эти неоднородности со временем притягивали к себе вещество из окружающих (более разреженных) областей и становились всё более «контрастными» (более плотные области становились ещё более плотными, а разреженные — ещё более разреженными)^[16]. При этом на определённой стадии гравитационное сжатие вещества приобретало почти одномерный характер и в результате образовывались уплощённые двумерные структуры с повышенной плотностью вещества. На следующем этапе эволюции происходило преимущественное сжатие этих структур в другом направлении с образованием протяжённых, почти одномерных «нитей»^[17][18].

Ключевую роль в этом процессе играла холодная тёмная материя: сперва вышеописанная структура сформировалась из тёмной материи и лишь затем, после рекомбинации водорода в ранней Вселенной, вследствие гравитационного притяжения барионное вещество скапливалось в областях повышенной плотности тёмной материи^[1]. Так возникла ячеистая крупномасштабная структура Вселенная, содержащая сверхскопления галактик, галактические нити (филаменты) и «великие стены», разделённые крупными пусто́тами (войдами) между ними^[3]. В областях с особенно большой плотностью вещества гравитация могла полностью остановить расширение и сменить его на сжатие. Со временем в таких областях образовались галактики, объединенные в гравитационно связанные системы — группы и скопления галактик^[16]. По мере того, как сгущения вещества (сверхскопления галактик, филаменты и др.) всё больше уплотняются под действием гравитации, пустоты между ними должны увеличиваться. Кроме того, крупные войды могут образовываться при слиянии более мелких^[19].

В современной космологии эволюция Вселенной, включая рост первичных возмущений плотности и образование крупномасштабной структуры Вселенной (в том числе и войдов), описывается стандартной космологической моделью (называемой также моделью ΛCDM)^[20][7]. При компьютерном моделировании эволюции распределения вещества во Вселенной в рамках задачи N тел образуются десятки тысяч войдов, распределённых по пространству почти однородно^[7]. Между существованием войда Волопаса и моделью ΛCDM не наблюдается видимых несоответствий^[21]. Более того, при компьютерном моделировании, проведённом в 2005 году, радиус крупнейшего получившегося войда оказался равным примерно 55,9 h^–1 Мпк, что близко к размеру войда Волопаса^[7].

Некоторые исследователи полагали, что времени существования Вселенной недостаточно для того, чтобы освободить от вещества такую большую область, как войд Волопаса^[6]. Поэтому была выдвинута гипотеза, что он сформировался в результате слияния меньших войдов^[2][6]. Это объясняет наличие небольшого количества галактик, образующих вытянутую область вблизи середины войда^[6].