Куди летить наша Галактика
Гравітація може не лише притягувати, а й відштовхувати як вам така заява? Причому не в якійсь новій математичній теорії, а насправді Великий Відштовхувач, як його назвала група вчених, відповідальний за половину швидкості, з якою наша Галактика рухається в космосі. Звучить незвично та фантастично, чи не так? Давайте розумітися.
По-перше, давайте оглянемося на всі боки і познайомимося з нашими сусідами у Всесвіті. За останні кілька десятків років ми дізналися дуже багато, і слово «космографія» сьогодні — це не термін із фантастичних романів Стругацьких, а один із розділів сучасної астрофізики, який займається складанням карт доступної нам частини Всесвіту. Найближча сусідка нашого Чумацького Шляху – це галактика Андромеда, яку можна побачити на нічному небі та неозброєним оком. А ось розглянути ще кілька десятків компаньйонів не вийде — карликові галактики, які обертаються навколо нас і Андромеди, дуже тьмяні, і астрофізики досі не впевнені, що знайшли їх усі. Тим не менш, всі ці галактики (у тому числі і не відкриті), а також галактика Трикутника та галактика NGC 300 входять до місцевої групи галактик. Зараз у Місцевій групі 54 відомих галактики, більша частина з яких — це вже тьмяні карликові галактики, що вже згадувалися, і її розміри перевищують 10 мільйонів світлових років. Місцева група разом із ще приблизно 100 скупченнями галактик входить у надскупчення Діви, розмірами понад 110 мільйонів світлових років.
У 2014 році група астрофізиків під керівництвом Брента Таллі з Гавайського університету з'ясувала, що саме це надскоплення, що складається з 30 тисяч галактик, є складовою ще більшої структури — надскоплення.Ланіакея, де міститься вже понад 100 тисяч галактик. Залишилося зробити останній крок — Ланіакея разом із надскопленням Персея-Риб входить до комплексу надскопиць Риб-Кита, яке одночасно є галактичною ниткою, тобто складовою великомасштабної структури Всесвіту.
Спостереження та комп'ютерні симуляції підтверджують, що галактики та скупчення не хаотично розкидані у Всесвіті, а складають складну губкоподібну структуру, де є філаменти-нитки, вузли та порожнечі, також відомі як увійди. Всесвіт, як майже сто років тому показав Едвін Хаббл, розширюється, і скупчення — це найбільші утворення, які утримуються гравітацією від розбігу. Тобто, якщо спростити, то філаменти розбігаються один від одного через вплив темної енергії, а рух об'єктів усередині них більшою мірою зумовлений силами гравітаційного тяжіння.
Тривимірна проекція ділянки місцевого Всесвіту. Ліворуч синіми лініями позначено поле швидкостей всіх відомих галактик найближчих надскоплень - вони очевидно рухаються у бік Аттрактор Шеплі. Праворуч червоним показано поле антишвидкостей (зворотні значення поля швидкостей). Вони сходяться в точці, звідки їх «виштовхує» відсутність гравітації у цій галузі Всесвіту
Тож куди все це летить? Для відповіді потрібна точна карта швидкостей для всіх масивних тіл у ближній частині Всесвіту. На жаль, для її побудови даних Cosmicflows-2 недостатньо — незважаючи на те, що це найкраще, що є у людства, вони є неповними, неоднорідними за якістю і мають великі похибки. Професор Хоффман застосував до відомих даних вінерівське оцінювання — статистичний прийом відділення корисного сигналу від шуму, що прийшов з радіоелектроніки. Це оцінювання дозволяє ввестиосновну модель поведінки системи (у разі — це Стандартна космологічна модель), яка визначатиме загальне поведінка всіх елементів без додаткових сигналів. Тобто рух конкретної галактики визначатиметься загальними положеннями Стандартної моделі, якщо для неї даних недостатньо, і даними вимірювань, якщо такі є.
Отримані результати підтвердили те, що нам уже було відомо – вся Місцева група галактик летить у космосі у бік Великого атрактора, гравітаційної аномалії у центрі Ланіакеї. І сам Великий атрактор, незважаючи на назву, не такий вже й великий — його притягує набагато масивніше надскупчення Шеплі, до якого ми й прямуємо зі швидкістю 660 кілометрів на секунду. Проблеми почалися, коли астрофізики вирішили порівняти виміряну швидкість Місцевої групи з розрахунковою, яка виводиться із маси надскоплення Шеплі. Виявилося, що незважаючи на колосальну масу (10 тисяч мас нашої Галактики), вона не могла б розігнати нас до такої швидкості. Більше того, побудувавши карту антишвидкостей (карту векторів, які спрямовані убік, зворотну векторам швидкостей), вчені знайшли область, яка ніби відштовхує нас від себе. Причому розташована вона на протилежному боці від надскоплення Шеплі. І відштовхує саме з тією швидкістю, щоб у сумі дати шукані 660 кілометрів на секунду.
Вся привабливо-відштовхувальна конструкція нагадує формою електричний диполь, в якому силові лінії йдуть від одного заряду до іншого.
Класичний електричний диполь із підручника фізики
Але це суперечить всій фізиці, яку ми знаємо — антигравітації бути не може! Що це за диво таке? Для відповіді давайте уявимо, що вас оточили та тягнуть у різністорони п'ятеро друзів - якщо вони це роблять з однаковою силою, то ви залишитеся на місці, ніби вас ніхто не тягне. Однак, якщо один із них, що стоїть праворуч, вас відпустить, то ви зміщуватиметеся вліво — в протилежний від нього бік. Так само ви будете зміщуватися вліво, якщо до п'яти друзів, що тягнуть, приєднається шостий, який встане праворуч і почне не тягнути вас, а штовхати.
ЩОДО ЧОГО МИ РУХАЙМОСЯ В КОСМОСІ
Окремо потрібно розібратися у тому, як визначається швидкість у космосі. Є кілька різних способів, але один із найточніших і найчастіше застосовних - це використання ефекту Доплера, тобто вимірювання зсуву спектральних ліній. Одна з найвідоміших ліній водню, Бальмер-альфа, видно у лабораторії як яскраво-червоне випромінювання на довжині хвилі 656,28 нанометра. А в галактиці Андромеди її довжина вже 655,23 нанометра — коротша довжина хвилі означає, що галактика рухається до нас. Галактика Андромеди – це виняток. Більшість інших галактик летить від нас — і лінії водню в них будуть спіймані на більш довгих хвилях: 658, 670, 785 нанометрів — чим далі від нас, тим швидше летять галактики і тим більше буде зміщення спектральних ліній в область більш довгих хвиль (це і називається червоним усуненням). Однак цей метод має серйозне обмеження — він може виміряти нашу швидкість щодо іншої галактики (або швидкість галактики щодо нас), але як виміряти, куди ми летимо разом з тією самою галактикою (і чи летимо кудись)? Це як їхати машиною зі зламаним спідометром і без карти — якісь машини обганяємо ми, якісь машини обганяють нас, але куди всі їдуть і яка наша швидкість щодо дороги? У космосі подібної дороги, тобто абсолютної системи координат немає. У космосі взагалі немає нічогонерухомого, до чого можна було б прив'язати виміри.
НІЧОГО, КРІМ СВІТЛА
Саме так — світло, точніше теплове випромінювання, що з'явилося відразу після Великого Вибуху і рівномірно (це важливо), що поширилося Всесвітом. Ми називаємо його реліктовим випромінюванням. Через розширення Всесвіту температура реліктового випромінювання постійно зменшується і зараз ми живемо в такий час, що вона дорівнює 2,73 кельвіна. Однорідність — або, як кажуть фізики, ізотропність — реліктового випромінювання означає, що в який бік неба не направ телескоп — температура космосу має бути 2,73 кельвіна. Але це якщо ми щодо реліктового випромінювання не рухаємось. Проте виміри, проведені зокрема телескопами Планк і COBE, показали, що температура половини неба трохи менше цієї величини, а другої половини — трохи більше. Це не помилки вимірювань, вплив того ж ефекту Доплера — ми зміщуємося щодо реліктового випромінювання, і тому частина реліктового випромінювання, назустріч якій ми летимо зі швидкістю 660 кілометрів на секунду, здається нам трохи теплішою.
Карта реліктового випромінювання, отримана космічною обсерваторією COBE. Дипольний розподіл температури доводить наш рух у просторі — ми віддаляємось від більш холодної області (сині кольори) у бік більш теплої області (жовті та червоні кольори на цій проекції)
У Всесвіті роль друзів, що тягнуть на себе, грають галактики і скупчення галактик. Якби вони були рівномірно розподілені по Всесвіту, то ми б нікуди не рухалися — вони тягли б нас з однаковою силою в різні боки. А тепер уявіть, що, з одного боку, від нас ніяких галактик немає. Оскільки всі інші галактики залишилися на місці, то ми віддалятимемося від цієї порожнечі, ніби вона насвідштовхує. Саме це і відбувається з областю, яку вчені охрестили Великим Відштовхувачем, або Великим Репеллером — кілька кубічних мегапарсек простору надзвичайно бідно заселені галактиками і не можуть компенсувати гравітаційне тяжіння, яке надають на нас усі ці скупчення та надскоплення з решти сторін. Наскільки саме цей простір бідний на галактики — ще доведеться з'ясувати. Справа в тому, що Великий Репеллер дуже невдало розташований - він знаходиться в зоні уникнення (так, в астрофізиці дуже багато красивих незрозумілих назв), тобто області простору, закритої від нас нашою власною галактикою, Чумацьким Шляхом.
Величезна кількість зірок і туманностей, а особливо газ і пил заважають незвичайному світлу від далеких галактик, розташованих по той бік галактичного диска, долітати до нас. Лише недавні спостереження рентгенівськими та радіотелескопами, які можуть реєструвати випромінювання, що вільно проходить крізь газ і пил, дозволили скласти більш-менш повний список галактик у зоні уникнення. В області Великого Відштовхувача справді виявилося дуже мало галактик, тож, схоже, що це кандидат на звання войду — гігантської порожньої області космічної структури Всесвіту.
Насамкінець треба сказати, що як би не була висока швидкість нашого польоту крізь космос, досягти ні Аттрактор Шеплі, ні Великого Аттрактор нам не вдасться. За розрахунками вчених, це займе час, що у тисячі разів перевищує вік Всесвіту. Отже, якою б точною не ставала б наука космографія, її карти ще довго не будуть корисними любителям подорожей.