Космические пустоты

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].

• 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].

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].

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].

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

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].

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].

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 S_ψ. 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].