Добро пожаловать в пустоту или как войды противоречат стройным теориям

Еще знаменитый английский ученый сэр Исаак Ньютон, автор трех «Законов Ньютона» и закона всемирного тяготения, объяснивших законы движения небесных тел, выдвинул идею о неизменности Вселенной. Согласно принципу космологии (науки о свойствах и эволюции Вселенной), наблюдатель, куда бы он ни переместился во Вселенной и в какую бы сторону не направил свой взор, видел бы в среднем одну и ту же картину.

Однородность Вселенной следует из теории Большого взрыва

Однородность (плотность вещества везде одинакова) и изотропность (отсутствуют выделенные направления) Вселенной следуют из концепции Большого взрыва. Изначально предложенное астрономом Фредом Хойлом шуточное обозначение теории, согласно которой Вселенная возникла в результате взрыва, прижилось и уже никому не кажется шуточным.
Согласно этой теории, развитие Вселенной началось с бесконечно горячей и плотной единой точки (точки сингулярности), которая вначале расширялась с невообразимой скоростью, затем расширение замедлилось, но все еще продолжает расширяться в течение последующих 13,8 млрд лет до состояния, в котором мы ее застали.
Быстрое расширение материи привело к тому, что во Вселенной все галактики оказались распределены равномерно.

Стандартная космологическая модель

Стандартная космологическая модель Лямбда-CDM предполагает, что помимо обычной материи (барионной, т. е. состоящей из барионов) во Вселенной присутствуют темная материя и темная энергия. Гипотетическую темную энергию пришлось ввести в модель, чтобы объяснить открытое в 1998 году ускоряющееся расширение Вселенной, начавшееся через примерно 7,6 млрд лет после Большого взрыва и наблюдающееся и в настоящее время.

Темная материя до сих пор не открыта, но проявляется в гравитационном взаимодействии. Гипотезу о темной материи пришлось ввести, чтобы объяснить, исходя из общей теории относительности, эффекты, требующие для объяснения наличие большого количества невидимой и не обнаруживаемой по электромагнитному излучению материи. Согласно стандартной модели, темная материя составляет около 85% всей массы Вселенной.
Принятие предположений стандартной космологической модели объясняет сложившуюся во Вселенной пропорцию между количествами гелия и дейтерия и наличие обнаруживаемого реликтового излучения (микроволнового фона). Реликтовое излучение – это приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью электромагнитное излучение со спектром, характерным для излучения абсолютно черного тела с температурой около 2,73 К.
Но однородность Вселенной в целом не исключает наличия в ней областей с отклоняющейся от средней плотностью вещества.

Неоднородность Вселенной подтверждается

Впервые подозрения о возможной местной неоднородности Вселенной появились в 1990 году и были подтверждены в 1997 году. Обработка сделанных астрономом Томасом Шенксом с коллегами фотографий, сделанных в спектре видимых волн, выявила на них меньшее ожидаемого количество галактик. Позднейшие снимки в диапазоне инфракрасных волн подтвердили сделанное ранее заключение о низком количестве галактик в этой области.
В 2013 исследователи Райан Кинан из Института астрономии и астрофизики Академии Синика (ASIAA) на Тайване, Эми Баргер из Висконсинского университета в Мадисоне и Леннокс Коуи из Гавайского университета в Маноа исследовали эту же самую область пространства посредством инфракрасного телескопа. На основании составленной структурной карты выяснилось, что нас окружает космическая «местная пустота» протяженностью около 2 млрд световых лет, с плотностью вещества на 20% ниже средней.

Ныне эта область Вселенной, в которую входят наша галактика (Млечный путь) и Местная группа галактик, известна как «супервойд Кинана-Баргер-Коуи» или «войд KBC», по первым буквам английских фамилий ее первооткрывателей. Void означает пустота, в астрономии под войдом понимают пространство, свободное от скоплений звезд и галактик. Наша галактика располагается на расстоянии нескольких миллионов световых лет от центра войда. Но возник резонный вопрос – не находятся ли в этом пространстве объекты, не обнаруживаемые в области видимого и инфракрасного излучения, например, излучающие более коротковолновые лучи.
Окончательно вопрос был разрешен в 2020 году, когда была составлена карта войда KBC с привлечением данных по рентгеновскому излучению галактик и подтвержден вывод о меньшей плотности окружающего нас пространства в сравнении со Вселенной в целом.

Неоднородности в трехмерной карте Вселенной

В 2000 годы начались работы по т. н. «Слоуновскому цифровому обзору неба» (SDSS-II) с составлением трехмерной карты Вселенной. Исследователи посредством 2,5-метрового телескопа картографировали свыше трети небесной сферы, и в 2019 году Алексия Лопес из Университета Центрального Ланкашира известила ученый мир об обнаружении в пространстве огромного космического объекта – дуги из галактик протяженностью 3,3 млрд световых лет.
Также обработка полученных данных в течение почти 20 лет подтвердила различную скорость расширения разных регионов Вселенной и заполнила пробел в истории расширения Вселенной длительностью в 11 млрд лет.
Тем самым наличие в пространстве пустот и структур стало феноменом, не объясняемым стандартной космологической моделью. 

Другая проблема связана с постоянной Хаббла, связывающей расстояние до галактики или квазара со скоростью его удаления вследствие ускоряющегося расширения Вселенной. Космическая обсерватория «Планк» оценила по параметрам реликтового излучения скорость расширения Вселенной в 67,66 км/с на мегапарсек. Иной метод оценки по скорости удаления близких галактик, в которых наблюдаются вспышки сверхновых звезд, и переменных звезд (цефеид), дал значение 73,52 км/с на мегапарсек. Разница составляет около 9% при точности каждого из методов не хуже 2%. Тем самым можно сделать вывод, что окружающая нас область расширяется быстрее, чем прочие области.

Проблема темных потоков

Обнаружилась еще одна необъясняемая особенность. Галактические кластеры движутся не в случайных направлениях, что должно следовать из модели – большое количество кластеров двигаются в одном направлении. Подобное обнаружила группа астрономов во главе в Александром Кашпинским из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА – поток скоплений между созвездиями Паруса и Центавра двигался удивительно согласованно со скоростью порядка 600-1000 км/с. Аналогичный феномен был обнаружен астрономом Брентом Талли с коллегами из Гавайского университета в войде KBC, в котором потоки галактик перемещаются с учетверенной в сравнении с предсказываемой моделью скоростью.
Одно из объяснений существования «местной пустоты» – приписывание темной материи особых свойств. 

На темной материи остановимся отдельно - есть она, нет ее, вопрос дискуссионный и хотя из-за популярности темы кажется доказанным, на самом деле - ничего подобного. 

Если же темная материя существует, то должна обладать следующими свойствами:

• не испускает электромагнитного излучения
• участвует в гравитационном взаимодействии
• ее частицы обладают большой массой
• нерелятивистская (т.е. частицы движутся очень медленно)
• может аннигилировать и распадаться, образуя всевозможные частицы и античастицы
• практически не испытывает взаимодействия с обычной материей.

В стандартной модели предполагается, что темная материя холодная, движется медленно и взаимодействует с материей или излучением посредством гравитации. Но темная материя с «модифицированными» свойствами может быть горячей, двигаться с околосветовой скоростью и состоять из не обладающих массой или очень легких частиц. Наиболее вероятный кандидат на роль темной материи – обычное нейтрино. 

Масса этих частиц очень мала (ранее ошибочно им приписывалась нулевая масса); нейтрино рождаются в недрах звезд в ходе термоядерных процессов и практически не взаимодействуют с барионной материей.

Формирование темных потоков

Подобная модель предполагает, что структуры формируются не путем объединения мелких объектов (наподобие галактик) в более крупные образования, а путем распада образований на галактики. Эта модель лучше объясняет существование пустот и гигантских структур, но хуже объясняет результаты наблюдений. И, наконец, если помимо известных 4 фундаментальных сил природы (гравитации, электромагнетизма, сильного и слабого взаимодействий) существует еще и неизвестная пятая сила, она способна объяснить взаимодействие между барионной материей и темной.

Согласно космологическому принципу, во Вселенной невозможны образования размером свыше 1,2 млрд световых лет, чему противоречит открытие в 2003 году учеными из Принстонского университета находящегося на расстоянии около 1 млрд световых лет сверхскопления галактик (Великой стены Слоуна) протяженностью примерно в 1,4 млрд световых лет, а в 2013 году Великой стены Геркулеса, представляющей собой галактическую нить длиной в 10 млрд световых лет. Это самая крупная структура в наблюдаемой Вселенной, поперечник которой оценивается в 93 млрд световых лет.