Гравитация может не только притягивать, но и отталкивать — как вам такое заявление? Причем не в какой-нибудь новой математической теории, а на самом деле — Большой Отталкиватель, как его назвала группа ученых, ответственен за половину скорости, с которой наша Галактика движется в космосе. Звучит фантастически, не так ли?
Профессор Иегуда Хоффман (Yehuda Hoffman) и его коллеги из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) обнаружили еще один фактор, который приводит в движение нашу галактику. Они выявили очень большой, ранее не описанный регион Вселенной, который практически пуст. Ученые считают, что эта область оказывает отталкивающее действие на Млечный Путь и другите соседние галактики.
Сами того не замечая, мы находимся в непрестанном и очень быстром движении, ведь Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 100000 км/ч, Солнечная система движется по галактике со скоростью 850000 км/ч, а сам Млечный Путь с парной галактикой Андромеда совершает движение со скоростью, приближающейся к 2 млн км/ч.
Ранее ученые определили некоторые факторы, приводящие в движение наш галактику — прежде всего, это т.н. Большой аттрактор, область густого скопления галактик, удаленная от нас на 150 млн световых лет. Вскоре после этого был обнаружен другой возможный «виновник» движения галактики — регион, называемый концентрацией Шепли, насчитывающий около двух десятков галактик, находящийся за 600 млн световых лет за пределами Большого аттрактора.
Авторы нового исследования считают, что на Млечный Путь могут действовать не только силы притяжения, но и отталкивания: «Мы обнаружили, что наша галактика Млечный Путь ускоряется от большой, ранее неустановленной области низкой плотности. Поскольку он отталкивает, а не привлекает, мы называем этот регион Дипольным Отталкивателем (Dipole Repeller)», — говорит профессор Хоффман.
Существование подобной области с очень низкой плотностью космического вещества предсказывалось и ранее. Для своих расчетов ученые использовали мощные телескопы, в том числе космический телескоп «Хаббл». Они построили 3D-карту галактики и окружающих ее областей. Таким образом исследователи определили основное распределение массы, которая состоит из темной материи и светящихся галактик — более плотных областей, которые притягивают и менее плотных, которые отталкивают.
Авторы исследования ожидают, что будущие высокочувствительные измерения в оптическом, ближнем инфракрасном и радиодиапазоне смогут напрямую идентифицировать несколько галактик, которые, как ожидается, находятся в этой пустоте, а также непосредственно подтвердят пустоту Дипольного Отталкивателя.
Во-первых, давайте оглянемся по сторонам и познакомимся с нашими соседями во Вселенной. За последние несколько десятков лет мы узнали очень многое, и слово «космография» сегодня — это не термин из фантастических романов Стругацких, а один из разделов современной астрофизики, занимающийся составлением карт доступной нам части Вселенной. Ближайшая соседка нашего Млечного Пути — это галактика Андромеда, которую можно увидеть на ночном небе и невооруженным глазом. А вот разглядеть еще несколько десятков компаньонов не получится — карликовые галактики, которые вращаются вокруг нас и Андромеды, очень тусклые, и астрофизики до сих по не уверены, что нашли их все. Тем не менее, все эти галактики (в том числе и не открытые), а также галактика Треугольника и галактика NGC 300 входят в Местную группу галактик. Сейчас в Местной группе 54 известных галактики, большая часть из которых — это уже упоминавшиеся тусклые карликовые галактики, и ее размеры превышают 10 миллионов световых лет. Местная группа вместе с еще примерно 100 скоплениями галактик входит в сверхскопление Девы, размерами больше 110 миллионов световых лет.
В 2014 году группа астрофизиков под руководством Брента Талли из Гавайского университета выяснила, что само это сверхскопление, состоящее из 30 тысяч галактик, является составной частью еще большей структуры — сверхскопления Ланиакея, в котором содержится уже более 100 тысяч галактик. Осталось сделать последний шаг — Ланиакея вместе со сверхскоплением Персея-Рыб входит в комплекс сверхскоплений Рыб-Кита, которое одновременно является галактической нитью, то есть составной частью крупномасштабной структуры Вселенной.
Наблюдения и компьютерные симуляции подтверждают, что галактики и скопления не хаотически разбросаны во Вселенной, а составляют сложную губкообразную структуру, где есть филаменты-нити, узлы и пустоты, также известные как войды. Вселенная, как почти сто лет назад показал Эдвин Хаббл, расширяется, и сверхскопления — это самые крупные образования, которые удерживаются гравитацией от разбегания. То есть, если упростить, то филаменты разбегаются друг от друга из-за воздействия темной энергии, а движение объектов внутри них в большей степени обусловлено силами гравитационного притяжения.
И теперь, зная, что вокруг нас столько галактик и скоплений, которые притягивают друг друга так сильно, что даже перебарывают расширение Вселенной, пора задать ключевой вопрос: а куда все это летит? Именно на него и пытается ответить группа ученых вместе с Иегуди Хоффманом из Еврейского университета в Иерусалиме и уже упоминавшимся Брентом Талли. Их совместная статья, вышедшая в Nature, основана на данных проекта Cosmicflows-2, который измерил расстояния и скорости более 8000 близлежащих галактик. Этот проект был запущен в 2013 году все тем же Брентом Талли вместе с коллегами, в том числе Игорем Караченцевым, одним из самых высокоцитируемых российских астрофизиков-наблюдателей.
Итак, куда все это летит? Для ответа нужна точная карта скоростей для всех массивных тел в ближней части Вселенной. К сожалению, для ее построения данных Cosmicflows-2 недостаточно — несмотря на то, что это лучшее, что есть у человечества, они неполны, неоднородны по качеству и имеют большие погрешности. Профессор Хоффман применил к известным данным винеровское оценивание — пришедший из радиоэлектроники статистический прием отделения полезного сигнала от шума. Это оценивание позволяет ввести основную модель поведения системы (в нашем случае — это Стандартная космологическая модель), которая будет определять общее поведение всех элементов в отсутствие дополнительных сигналов. То есть движение конкретной галактики будет определяться общими положениями Стандартной модели, если для нее данных недостаточно, и данными измерений, если таковые есть.
Полученные результаты подтвердили то, что нам уже было известно — вся Местная группа галактик летит в космосе в сторону Великого аттрактора, гравитационной аномалии в центре Ланиакеи. И сам Великий аттрактор, несмотря на название, не такой уж и великий — его притягивает намного более массивное сверхскопление Шэпли, к которому мы и направляемся со скоростью 660 километров в секунду. Проблемы начались, когда астрофизики решили сравнить измеренную скорость Местной группы с расчетной, которая выводится из массы сверхскопления Шэпли. Оказалось, что несмотря на колоссальную массу (10 тысяч масс нашей Галактики), оно не могло бы разогнать нас до такой скорости. Более того, построив карту анти-скоростей (карту векторов, которые направлены в сторону, обратную векторам скоростей), ученые нашли область, которая как будто отталкивает нас от себя. Причем расположена она ровно на противоположной стороне от сверхскопления Шэпли и отталкивает именно с той скоростью, чтобы в сумме дать искомые 660 километров в секунду.
Вся притягивательно-отталкивающая конструкция напоминает формой электрический диполь, в котором силовые линии идут от одного заряда к другому.
Но ведь это противоречит всей физике, которую мы знаем — антигравитации быть не может! Что же это за чудо такое? Для ответа давайте представим, что вас окружили и тянут в разные стороны пятеро друзей — если они это делают с одинаковой силой, то вы останетесь на месте, как будто вас никто не тянет. Однако, если один из них, стоящий справа, вас отпустит, то вы будете смещаться влево — в противоположную от него сторону. Точно так же вы будете смещаться влево, если к пяти тянущим друзьям присоединится шестой, который встанет справа и начнет не тянуть вас, а толкать.
Относительно чего мы движемся в космосе.
Отдельно нужно разобраться в том, как определяется скорость в космосе. Есть несколько разных способов, но один из самых точных и часто применимых — это использование эффекта Доплера, то есть измерение смещения спектральных линий. Одна из самых известных линий водорода, Бальмер-альфа, видна в лаборатории как ярко-красное излучение на длине волны 656,28 нанометра. А в галактике Андромеды ее длина уже 655,23 нанометра — более короткая длина волны означает, что галактика движется к нам. Галактика Андромеды — это исключение. Большинство других галактик летит от нас — и линии водорода в них будут пойманы на более длинных волнах: 658, 670, 785 нанометров — чем дальше от нас, тем быстрее летят галактики и тем больше будет смещение спектральных линий в область более длинных волн (это и называется красным смещением). Однако у этого метода есть серьезное ограничение — он может измерить нашу скорость относительно другой галактики (или скорость галактики относительно нас), но как измерить, куда мы летим вместе с той самой галактикой (и летим ли куда-нибудь)? Это как ехать на машине со сломанным спидометром и без карты — какие-то машины обгоняем мы, какие-то машины обгоняют нас, но куда все едут и какова наша скорость относительно дороги? В космосе подобной дороги, то есть абсолютной системы координат, нет. В космосе вообще нет ничего неподвижного, к чему можно было бы привязать измерения.
Ничего, кроме света.
Именно так — свет, точнее тепловое излучение, появившееся сразу после Большого Взрыва и равномерно (это важно) распространившееся по Вселенной. Мы называем его реликтовым излучением. Из-за расширения Вселенной температура реликтового излучения постоянно уменьшается и сейчас мы живем в такое время, что она равна 2,73 кельвина. Однородность — или как говорят физики изотропность — реликтового излучения означает, что в какую сторону неба ни направь телескоп — температура космоса должна быть 2,73 кельвина. Но это если мы относительно реликтового излучения не двигаемся. Однако измерения, проведенные в том числе телескопами Планк и COBE, показали, что температура половины неба чуть меньше этой величины, а второй половины — чуть больше. Это не ошибки измерений, в влияние все того же эффекта Доплера — мы смещаемся относительно реликтового излучения, и поэтому часть реликтового излучения, навстречу которой мы летим со скоростью 660 километров в секунду, кажется нам чуть теплее.
Во Вселенной роль тянущих на себя друзей играют галактики и скопления галактик. Если бы они были равномерно распределены по Вселенной, то мы никуда бы не двигались — они тянули бы нас с одинаковой силой в разные стороны. А теперь представьте, что с одной стороны от нас никаких галактик нет. Поскольку все остальные галактики остались на месте, то мы будем удаляться от этой пустоты, как будто она нас отталкивает. Именно это и происходит с областью, которую ученые окрестили Великим Отталкивателем, или Великим Репеллером — несколько кубических мегапарсек пространства необычайно бедно заселены галактиками и не могут компенсировать гравитационное притяжение, которое оказывают на нас все эти скопления и сверхскопления с остальных сторон. Насколько именно это пространство бедно галактиками— еще предстоит выяснить. Дело в том, что Великий Репеллер очень неудачно расположен — он находится в зоне избегания(да, в астрофизике очень много красивых непонятных названий), то есть области пространства, закрытой от нас нашей собственной галактикой, Млечным Путем.
Огромное количество звезд и туманностей, а в особенности газ и пыль мешают свету от далеких галактик, расположенных по ту сторону галактического диска, долетать до нас. Лишь недавние наблюдения рентгеновскими и радиотелескопами, которые могут регистрировать излучение, свободно проходящее сквозь газ и пыль, позволили составить более-менее полный список галактик в зоне избегания. В области Великого Отталкивателя действительно оказалось очень мало галактик, так что, похоже, что это кандидат на звание войда — гигантской пустой области космической структуры Вселенной.
В заключение надо сказать, что как бы ни была высока скорость нашего полета сквозь космос, достичь ни Аттрактора Шэпли, ни Великого Аттрактора нам не удастся, — по расчетам ученых, это займет время, в тысячи раз превышающее возраст Вселенной, так что какой бы точной ни становилась наука космография, ее карты еще долго не будут полезными любителям путешествий.