Божьи мельницы: как было открыто вращение самых больших структур во Вселенной
Поговорку «Хочешь жить, умей вертеться» мог бы придумать астроном. Вокруг своей оси вращаются планеты, звезды, некоторые галактики и многие другие объекты. Теперь же ученые неожиданно обнаружили вращение самых больших в космосе структур — нитей, составленных из галактик и вытянутых на сотни миллионов световых лет.
В космической паутине
Когда Вселенная возникла в результате Большого взрыва, она была очень однородной. Ни одну точку новорожденного космоса нельзя было отличить от любой другой. Существовали лишь крошечные различия в плотности материи. Эти мизерные уплотнения стали зародышами грандиозной космической структуры, наблюдаемой сегодня. Ведь там, где больше плотность вещества, сильнее гравитация. А гравитация притягивает окружающую материю, и в результате плотность становится еще больше. Это замкнутый круг, из-за которого изначально крошечная неоднородность растет, как снежный ком.
Впрочем, материя Вселенной собралась не в сферические комья, а в более причудливый узор. Сначала она образовала плоские широкие стены, похожие на блины (они так и называются — «блины Зельдовича»). Потом вещество стянулось от центра каждого «блина» к его краям. Так возникла колоссальная космическая паутина, которую мы наблюдаем сегодня. Она образована нитями (они же волокна и филаменты), состоящими из галактик или скоплений галактик (вопрос, что называть скоплением, достаточно тонкий). Длина этих нитей измеряется сотнями миллионов световых лет, а диаметр — «всего» миллионами. Для сравнения: диаметр Млечного Пути — порядка 100 000 световых лет. Промежутки между нитями образуют так называемые войды (пустоты), в которых галактик практически нет.
Итак, сперва однородная масса разделилась на плоские стены, а потом стены стянулись к краям, собравшись в тонкие нити. Но история скучивания вещества неугомонной гравитацией на этом не закончилась. На наших глазах галактики стекаются к перекрестьям нитей. Волокна космической паутины — это огромные реки. Они текут к гигантским скоплениям галактик, образовавшимся на пересечении волокон. Возможно, когда-нибудь (нескоро даже по астрономическим меркам) материя окончательно стянется в сферические комки, и впечатляющая паутина Вселенной перестанет существовать.
На космических задворках: есть ли жизнь на краю Галактики
Голова кругом
Не стоит думать, что каждая галактика дисциплинировано движется вдоль космического волокна, словно автомобиль в полосе автомагистрали. На самом деле у каждого «звездного острова» своя траектория. Индивидуальные движения накладываются на общее упорядоченное течение, внося в него долю хаоса. Однако за вычетом этого беспорядка галактики движутся вдоль космических нитей, словно вода в реке вдоль русла. Во всяком случае, так гласит простейший вариант теории, и до сих пор у специалистов не было оснований считать иначе.
Однако в 2020 году был опубликован препринт любопытной теоретической работы. Ее авторы утверждали, что галактики внутри космической нити могут двигаться по винтовой линии. Они словно отслеживают форму огромной пружины, винтовой лестницы или спирали ДНК. Такое движение с некоторой натяжкой можно назвать вращением космической нити вокруг своей оси. Исследователи проиллюстрировали этот процесс специальной анимацией.
Эта гипотеза заинтересовала команду ученых из Германии, Китая и Эстонии.
«Руководствуясь предположением теоретика доктора Марка Нейринка о том, что волокна могут вращаться, мы исследовали наблюдаемое распределение галактик в поисках вращения волокон», — рассказывает соавтор статьи в Nature Astronomy Ноам Либескинд из Потсдамского астрофизического института.
Исследователи использовали данные обзора SDSS, в котором содержались наблюдения за сотнями тысяч галактик. Авторы нанесли на карту тысячи нитей космической паутины, для каждого волокна была прочерчена продольная ось. Затем астрономы тщательно сравнили спектры галактик, расположенных по разные стороны оси. Их интересовало так называемое красное и синее смещение. Эта характеристика позволяет узнать, удаляется объект от наблюдателя или приближается к нему, и с какой скоростью.
Чтобы понять, что увидели исследователи, возьмите вытянутый предмет (например, ручку, хотя эффект будет заметнее на плоском объекте вроде смартфона). Поднимите его на уровень глаз и медленно поверните вокруг продольной оси. Окажется, что одна сторона вращающегося предмета удаляется от ваших глаз, а другая приближается к ним. Именно это и обнаружили специалисты, отследив движение составляющих волокна галактик относительно наблюдателя. Другими словами, они обнаружили вращение волокон вокруг своей оси.
Свалка на орбите: почему космический мусор становится все опаснее
Конечно, реальные траектории «звездных островов» далеки от идеальной винтовой линии. Это вращение — скорее общий компонент в дрейфе множества галактик, который останется, если убрать их индивидуальные движения. Последние могут и преобладать, делая вращение незаметным. В целом авторы вовсе не утверждают, что вращается каждое волокно в паутине Вселенной. Скорее, вращаются лишь некоторые (наименее «бурлящие») из них. Но это уже само по себе — крупное во всех смыслах открытие.
«Эти фантастические нити материи вращаются, несмотря на то, что они являются тонкими цилиндрами — по соотношению габаритов похожими на карандаши — длиной в сотни миллионов световых лет, но всего несколько миллионов световых лет в диаметре, — комментирует Либескинд. — В этих масштабах сами галактики внутри них — просто пылинки. Они движутся по винтовым линиям, или штопорообразным орбитам, вращаясь вокруг середины нити, но в то же время путешествуя вдоль нее. Подобное вращение никогда раньше не наблюдалось в таких огромных масштабах, и, следовательно, должен существовать пока неизвестный физический механизм, ответственный за вращение этих объектов».
Называя механизм неизвестным, эксперт осторожничает. В теоретической работе группы Нейринка, с которой все началось, винтовое движение галактик в нитях порождается гравитацией колоссальных скоплений галактик, расположенных на концах волокна. Анализируя данные каталога SDSS, Либескинд и его коллеги обнаружили важное свидетельство того, что так и есть: выяснилось, что чем массивнее эти скопления, тем заметнее вращение нити. Это, кстати, один из главных аргументов за то, что обнаруженное движение галактик реально. Будь эффект следствием какой-нибудь погрешности, вкравшейся в сбор или обработку данных, не было бы причин для взаимосвязи между вращением нити и массой скоплений на ее концах.
Впрочем, астрофизикам только предстоит выяснить детали механизма, приводящего в движение структуры, рядом с которыми галактики — просто пыль. Пока остается без ответа и самый интригующий вопрос: влияет ли это вращение на жизнь галактик, звезд и разумных существ.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора