Основной структурный элемент крупномасштабной структуры вселенной

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
КРУПНОМАСШТАБНАЯ СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ

КРУПНОМАСШТАБНАЯ СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ

КРУПНОМАСШТАБНАЯ СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ — термин, введённый для обозначения строения Вселенной в масштабах от неск. Мпк до нсск. сотен Мпк (в первую очередь пространственного распределения галактик, их скоплений и сверхскоплений; рис.).

Изучение пространственного распределения галактик — трёхмерного крупномасштабного строения Вселенной — стало возможным благодаря совр. достижениям внегалактич. астрономии в массовом определении расстояний до далёких галактик. В осн. методе оценки расстояний до очень далёких объектов (галактик и их скоплений) используются измерение скорости удаления галактики (по Доплера эффекту )и Хаббла закон где v — скорость галактики вдоль луча зрения, r — расстояние до галактики, Н 0 — постоянная Хаббла. Совр. астр. измерения H 0 дают значения от 50 до 100 км/(с*Мпк). Для учёта неопределённости значения Н 0 вводят безразмерный параметр так что Н 0 = км/(с*Мпк). Этот метод определения расстояний до галактик обладает принципиальными недостатками: 1) абс. значения расстояний содержат неопределённый множитель 2) отклонения в движении галактик от закона Хабола, связанные с существованием неоднородностей, вносят искажения в оценку расстояний. Первая погрешность влияет лишь на общий масштаб К. с. В., не искажая её пропорций, вторая — приводит к нек-рой деформации структуры, наиб. ярко проявляясь в видимом растяжении богатых скоплений галактик вдоль луча зрения, тем большем, чем выше скорости галактик, находящихся в гравитац. поле скопления.

Среди скоплений галактик особый класс составляют т. н. богатые, или эйбелловские, скопления, названные по имени Дж. Эйбелла (G. О. Abell), составившего их первый каталог. Они имеют размеры в неск. Мнк и представляют собой наиб. плотные сгущения галактик во Вселенной. В центр. областях наиб. компактных скоплений концентрация галактик превосходит Мпк -3 , что превышает ср. концентрацию галактик во Вселенной более чем в 10 4 раз. Известно ок. 3000 богатых скоплений галактик.

Сверхскопления галактик имеют большие размеры (20-100 h -1 Мпк), но концентрация галактик в них существенно меньше. Они, как правило, сильно анизотропны (отношение осей до 1 : 10), состоят из неск. богатых скоплений, соединённых перемычками из отд. галактик. Выделено около десятка сверхскоплений, среди к-рых есть сплюснутые, как Местное сверхскопление, в к-ром расположена наша Галактика, и вытянутые, как сверхскопленис в созвездиях Персея — Рыб. Сверхскопления не обладают чёткими границами, они непрерывно переходят одно в другое, образуя единую связную структуру, к-рую наз. сетчатой или ячеистой. Между сверхскоплениями обнаружены гигантские «чёрные области», достигающие 100 h -1 Мпк в поперечнике, в к-рых галактики практически отсутствуют. В масштабах, превышающих неск. сотен Мпк, Вселенная практически однородна.

Для статистич. оценки однородностей распределения галактик в разных масштабах используют корреляц. ф-ции, из к-рых наиб. распространение получила двухточечная корреляц. ф-ция определяемая соотношением

где dP — вероятность найти галактику в малом объёме на расстоянии г от выбранной наугад др. галактики, — средняя пространственная концентрация галактик. Ф-ция построенная на основе данных о пространственном распределении неск. тысяч ближайших галактик, имеет примерно степенной вид в диапазоне от Мпк до Мпк; в больших масштабах определяется ненадёжно из-за относит. возрастания ошибок.

Другая корреляц. ф-ция рассчитанная по распределению примерно полутора сотен ближайших богатых скоплений галактик, тоже имеет примерно степенной вид в диапазоне расстояний от Мпк до Мпк: Корреляц. анализ показывает, что во вселенной существует закономерность (определ. масштаб) в распределении галактик и, что существенно, в распределении скоплений галактик также существует свой масштаб.

Изучение вращения спиральных галактик, распределения скоростей галактик в скоплениях и сверхскоплениях показало, что большая часть (возможно до 90%) полной массы Вселенной невидима и обнаруживается лишь по гравитац. воздействию на наблюдаемые объекты. Это — т. н. скрытая масса Вселенной. Оставшаяся доля массы приходится на массу барионов (нуклонов), из к-рых состоит вещество звёзд. Носителями скрытой массы могут быть слабовзаимодействующие частицы, обладающие отличной от нуля массой (вероятные кандидаты — нейтрино, фотино, аксион и т. п.).

Теории образования К. с. В. основываются на привлечении к.-н. механизма усиления первичных (космологических) неоднородностей плотности вещества Вселенной (см. Адиабатические флуктуации), наиб. вероятным из к-рых является гравитационная неустойчивость. Среди др. механизмов рассматривается также взрывной процесс — воздействие на вещество Вселенной взрывов большого числа сверхновых звёзд первого поколения.

Гравитац. неустойчивость на стадии образования К. с. В. может проявляться в разл. формах в зависимости от вида спектра малых неоднородностей плотности, характерного для предшествующей стадии. В одном крайнем случае гравитац. неустойчивость приводит к иерархич. скучиванию вещества, в другом — к его фрагментации.

Процесс иерархич. скучивания протекает в том случае, если нач. возмущения плотности имеют сравнимые амплитуды как в масштабах сверхскоплений (для масс так и в масштабах галактик и, возможно, в ещё меньших масштабах — вплоть до 10 6 M Q (здесь M Q — масса Солнца). В этом случае первыми возникают наим. массивные объекты.

Распределение галактик в северном галактическом небе (по Э. Гроту, П. Пиблсу и др.), полученное с помощью компьютера. Окружность — галактический экватор, с которым совпадает плоскость Галактики. При приближении к экватору видимая плотность галактик падает, что связано с возрастающей непрозрачностью диска Галактики.

Под действием сил взаимного притяжения они сближаются и последовательно образуют все более крупные объекты вплоть до сверхскоплений галактик (эскалация масштабов).

Процесс фрагментации возможен, если по к.-л. причинам в спектре нач. возмущений диссипируют неоднородности в масштабах менее 10 15 как это, напр., имеет место в модели нейтринной Вселенной, в к-рой осн. масса приходится на космологич. нейтрино (предполагается, что нейтрино имеют массу -100 эВ). В модели фрагментации первыми возникают сгущения вещества с Мпричём они имеют характерную форму «блинов» — сильно сплюснутых газовых облаков повышенной плотности. С течением времени «блины» разрастаются и смыкаются друг с другом, образуя связную ячеистую структуру. Образование галактик в этой модели связано с дроблением (фрагментацией) «блинов» на части.

Если осн. доля массы Вселенной приходилась на слабовзаимодействующие релятивистские частицы (нейтрино или др.), то ведущим фактором в образовании К. с. В. являлся рост возмущений в распределении этих частиц. К сгусткам газа релятивистских частиц под действием сил тяготения подтягивалось обычное вещество (барионы). Как в иерархич. модели, так и в модели фрагментации предполагается, что галактики образовались из неоднородностей барионной компоненты и осн. роль при этом играли газодинамич. и тепловые процессы.

Наблюдаемая К. с. В. не получила исчерпывающего объяснения ни в одной из предложенных теорий, хотя качественно лучше согласуется с картиной фрагментации, естественно объясняющей анизотропию и связность сверхсконлений, а также существование «чёрных областей». Возможно, что в природе осуществлялся нек-рый промежуточный вариант.

Тесная связь процесса образования К. с. В. с типом элементарных частиц, доминирующих в ср. плотности Вселенной в эпоху образования К. с. В., позволяет использовать изучение К. с. В. для исследований ряда физ. свойств этих частиц, пока не осуществимых в совр. лабораториях. Так, космологич. данные ограничивают массу всех типов стабильных нейтрино и антинейтрино величиной

Лит.: Шандарин С. Ф., Дорошкевич А. Г., Зельдович Я. Б., Крупномасштабная структура Вселенной, «УФН», 1983, т. 139, с. 83; Пиблс Ф. Дж. Э., Структура Вселенной в больших масштабах, пер. с англ., М., 1983; Оort J. H., Superclusters, «Ann. Rev. Astron. Astropfys.», 1983. v. 21, p. 373. С. Ф. Шандарин.

Источник

Крупномасштабная структура Вселенной

Крупномасштабная структура Вселенной напоминает систему прожилок и волокон, разделенных пустотами

Крупномасштабная структура Вселенной – космологический термин, обозначающий структуру распределения вещества во Вселенной на наибольших видимых масштабах.

Некоторые основные составляющие элементы Вселенной

Примером простейшей структуры в космическом пространстве является система планета-спутник. Кроме двух ближайших к Солнцу планет (Меркурий и Венера), все остальные имеют своего спутника, и в большинстве случаев даже не одного. Если Землю сопровождает лишь Луна, то вокруг Юпитера вращается целых 67 спутников, хотя некоторые из них довольно малы. Однако вместе со своими спутниками планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца, образуя так называемую планетную систему.

В результате наблюдений, астрономами было выявлено, что большинство других звезд также входят в состав планетных систем. Вместе с тем сами светила тоже зачастую образовывают системы и скопления, которые назвали звездными. Согласно имеющимся данным, преобладающая часть звезд составляют парные звездные системы, или с кратным количеством светил. В этом плане наше Солнце считается нетипичным, так как оно не имеет пары

Если же рассматривать околосолнечное пространство в более увеличенных масштабах, то становится очевидно, что все звездные скопления вместе со своим планетными системами образуют звездный остров, так называемую галактику Млечный Путь.

История изучения структуры Вселенной

Разнообразные галактики, открытые в рамках проекта SINGS. Смотреть в полном размере.

Впервые об идее крупномасштабной структуры Вселенной задумался выдающийся астроном Уильям Гершель. Именно ему принадлежат такие открытия как обнаружение планеты Уран и двух ее спутников, двух спутников Сатурна, открытие инфракрасного излучения и идея о движении Солнечной системы сквозь космическое пространство. Самостоятельно сконструировав телескоп и проведя наблюдения, он выполнил объемные подсчеты светил различной яркости в определенных областях небосвода и пришел к выводу, что в космическом пространстве существует большое множество звездных островов.

Позже, в начале ХХ-го века американский космолог Эдвин Хаббл смог доказать принадлежность некоторых туманностей к структурам, отличным от Млечного Пути. То есть было достоверно известно, что за пределами нашей галактики также существуют различные звездные скопления. Исследования в этом направлении вскоре значительно расширили наше понимание Вселенной. Оказалось, что помимо Млечного Пути в космическом пространстве существуют десятки тысяч иных галактик. В попытке составить какую-нибудь упрощенную карту видимой Вселенной ученые наткнулись на тот примечательный факт, что галактики в пространстве распределены неравномерно и составляют собою иные структуры немыслимых размеров.

Скопление галактик в созвездии Гидра

Крупномасштабная структура Вселенной

Со временем ученые обнаружили, что галактики-одиночки – достаточно редкое явление во Вселенной. Подавляющая же часть галактик образуют крупномасштабные скопления, которые могут быть различных форм и включать в себя две галактики или кратное число, вплоть до нескольких тысяч. Помимо огромных звездных островов эти массивные звездные структуры включают еще и скопления газа, разогретого до высоких температур. Несмотря на очень низкую плотность (в тысячи раз меньше, нежели в солнечной атмосфере), масса этого газа может значительно превышать суммарную массу всех звезд в некоторых совокупностях галактик.

Полученные результаты наблюдений и расчетов навели ученых на мысль о том, что скопления галактик также могут образовывать иные более крупные структуры. Вслед за этим стали два интригующих вопроса: если сама по себе галактика, сложная структура, является частью некой более масштабной конструкции, то может ли эта конструкция быть составной чего-нибудь еще большего? И, в конце концов, есть ли предел такой иерархичной структурности, когда каждая система входит в состав другой?

Галактические стены напоминают сплетения нейронов в коре головного мозга человека

Положительный ответ на первый вопрос подтверждается наличием сверхскоплений галактик, которые в свою очередь перерастают галактические нити, или как их иначе называют «стены». Их толщина в среднем около 10 млн. св. лет, а длина 160 — 260 млн. световых лет. Однако, отвечая на второй вопрос, следует отметить, что сверхскопления галактик не являются некой обособленной структурой, а лишь более плотные участки галактических стен. Поэтому сегодня ученые уверены в том, что именно галактические нити (стены), наибольшие космические структуры, вмесите с войдами (пустым пространством, свободным от звездных скоплений) формируют волокнистую или ячеистую структуру Вселенной.

Положение Земли во Вселенной

Несколько отходя от темы, укажем положение нашей планеты в столь сложной структуре:

1. Планетарная система: Солнечная
2. Местное межзвёздное облако
3. Галактический рукав Ориона
4. Галактика: Млечный Путь
5. Скопление галактик: Местная группа
6. Сверхскопление галактик: Местное сверхскопление (Девы)
7. Сверхскопление галактик: Ланиакея
8. Стена: Комплекс сверхскоплений Рыб-Кита

Современные результаты исследований утверждают, что Вселенная состоит не менее чем из 200 миллиардов галактик. Галактические стены по своей природе являются относительно плоскими и составляют собой стенки «ячеек» Вселенной, а места их пересечений и формируют сверхскопления галактик. В центре же этих ячеек располагаются войды (англ. void — пустота).

Материалы по теме

Интерактивная шкала масштабов Вселенной

Анализ сформированной учеными трехмерной модели распределения галактик говорит о том, что ячеистая структура наблюдается на расстоянии в более чем миллиард световых лет в любом направлении. Данная информация позволяет полагать, что в масштабе в несколько сотен миллионов световых лет любой фрагмент Вселенной будет иметь почти одинаковое количество вещества. А это доказывает, что в указанных масштабах Вселенная однородна.

Причины возникновения крупномасштабной структуры Вселенной

Несмотря на наличие таких масштабных конструкций, как галактические стены и нити, самыми крупными устойчивыми структурами все же считаются скопления галактик. Дело в том, что известное расширение Вселенной постепенно растягивает структуру любых объектов, и бороться с этой силой может лишь гравитация. В результате наблюдений за скоплениями и сверхскоплениями был обнаружен такой потрясающий эффект как «гравитационное линзирование». То есть лучи, проходящие через межзвездное пространство, искривляются, что указывает на наличие в нем огромной невидимой, скрытой массы. Она может принадлежать различным ненаблюдаемым космическим телам, однако в таких масштабах вероятнее всего принадлежит темной материи

Крест Эйнштейна — гравитационно-линзированный квазар

Опираясь на почти однородное реликтовое излучение, ученые убеждены в том, что и вещество во Вселенной должно распределяться равномерно. Но особенность гравитации в том, что она склонна стягивать любые физические частицы в плотные структуры, тем самым нарушая однородность. Таким образом, спустя какое-то время после Большого Взрыва незначительные неоднородности в распределении вещества в пространстве стали все более стягиваться в некоторые структуры. Их возрастающая гравитация (в силу возрастания массы на объем) постепенно замедляла расширение, пока не остановила его вовсе. Мало того, в некоторых частях расширение обернулось в сжатие, что и стало причиной образования галактик и галактических скоплений.

Подобная модель проверялась при помощи компьютерных расчетов. Учитывая совсем незначительные флуктуации (колебания, отклонения) в однородности реликтового излучения, компьютер просчитал, что такие же мелкие флуктуации в распределении вещества после Большого Взрыва при помощи гравитации вполне могли породить скопления галактик и ячеистую крупномасштабную структуру Вселенной. ‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Крупномасштабная структура Вселенной» title=»Крупномасштабная структура Вселенной»>

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник