Самые пугающие места во Вселенной: что такое космические пустоты?
Войды — обширные области между галактическими нитями, в которых почти (или совсем) нет галактик, звезд и планет. Эти пугающие пустоты простираются на миллионы световых лет.
Если уменьшить масштаб Вселенной настолько, что целые галактики превратятся в отдельные точки, то можно найти уникальную сеть, где галактики объединены в нити. А в них — еще больше скоплений и тысячи звезд.
Это — космическая паутина: нити из темной материи в межгалактическом пространстве, которые образуют структуру, вдоль них концентрируется «обычное» вещество. Между нитями находятся огромные космические пустоты. В поперечнике их размер составляет миллионы световых лет. Там почти нет материи. Можно считать, что большая часть нашей Вселенной — это просто ничто.
Прядение космической паутины
Почти 14 млрд лет назад космической паутины, галактик и звезд не было. Согласно теории, мир состоял из темной материи, водорода, гелия и небольшого количества лития. Все это вещество было однородным, и почти равномерно распределялось по Вселенной.
Но некоторые участки немного отличались от остальных. Одни имели большую плотность, другие — меньшую. У более плотных пятен гравитационное притяжение было сильнее. Поэтому тяжелые места притягивали своих соседей, увеличивались в размерах и развивали еще более сильную гравитацию — и этот процесс продолжается до сих пор.
Сотни миллионов лет материя текла в плотные участки, где объединилась в первые звезды и галактики. По мере того, как росла космическая паутина, участки без материи становились все более пустыми и превращались в войды.
Что происходит в космических пустотах?
Конечно, войды нельзя назвать совсем пустыми. Внутри этих областей «плавают» несколько тусклых рассеянных карликовых галактик. Но кроме темной энергии там ничего нет.
Согласно последним теориям, известная нам Вселенная только на 5% состоит из «обычной», привычной человеку материи, которая окружает его каждый день. Еще примерно четверть — неуловимая темная материя. В итоге, более 60% приходятся на еще более загадочную темную энергию.
Ученые мало о ней знают, но именно она отвечает за то, что Вселенная расширяется все быстрее. Но какая же сила порождает это ускорение? Как ни странно, это гравитация, только не притягивающая, а отталкивающая. Именно так работает темная энергия — она отталкивает объекты друг от друга.
SLOAN DIGITAL SKY SURVEY. Карта локальной Вселенной по данным Sloan Digital Sky Survey. Оранжевые области имеют более высокие плотности скоплений и нитей галактик.
Найти и определить темную энергию непросто — нас окружает слишком много другой энергии и материи. Но не в войдах — они пустые (по большей части). Там нет ничего, что может конкурировать с темной энергией, именно там она играет главную роль.
В итоге, ускоренное расширение нашей Вселенной происходит в самих пустотах. За счет темной энергии пустоты буквально надавливают свои границы, раздвигая галактики и растворяя огромную космическую паутину, на создание которой потребовались миллиарды лет.
Какой войд во Вселенной самый большой?
В 2007 году астрономы обнаружили самую большую пустоту во Вселенной. Войд, у которого в поперечнике почти миллиард световых лет, пуст как от обычной, так и от темной материи.
Лоуренс Рудник и его коллеги из Миннесотского университета в Миннеаполисе, США, случайно наткнулись на войд. Команда Рудника изучала данные обзора, проведенного радиотелескопом Very Large Array в Нью-Мексико. «Однажды утром мне стало немного скучно, и я сместил угол наблюдения», — говорит Рудник. Они обнаружили аномалию и изучили ее.
Команду ждал сюрприз. Они почти не видели радиоисточники на территории почти 280 мегапарсек (почти миллиард световых лет в диаметре). Отсутствие радиоисточников означает, что в этом объеме нет галактик или скоплений. Ученые не нашли и признаки темной материи. Оказалось, это — огромный космический войд, который назвали пустотой Эридана.
Она находится от Земли на расстоянии от 6 до 10 млрд световых лет. До 2007 года оптические исследования не находили пустот шириной более 80 мегапарсек. Сверхпустота Эридана на карте Вселенной
Существование мест в космосе, где миллиарды лет нет даже гипотетической материи, может настораживать. Но не все войды полностью пусты. Например, в 2013 году астрономы Райан Кинан, Эми Баргер и Леннокс Коуи предположили, что Земля, как и галактика Млечный Путь, находится в огромной пустоте. Ее назвали войд ВКС, в честь ученых, которые его открыли.
Он примерно сферической формы, около 2 млрд световых лет в диаметре. Согласно исследованию 2017 года, это крупнейший супервойд, известный науке. Пустота KBC окружена оболочкой из галактик, звезд и другой материи, заявляют ученые из Университета Висконсин-Мэдисон.
Используя данные крупномасштабных телескопов, которые подсчитывают галактики, исследователи пришли к выводу, что Млечный Путь располагается недалеко от центра области, где галактик меньше, чем в других частях Вселенной.
Если ученые правы, то получается, что мы живём в самой большой известной пустоте в наблюдаемой Вселенной.
Войд Волопаса — самое страшное место в видимой Вселенной (Naked Science)
Причиной Сверхпустоты Эридана может быть параллельная вселенная
Карта космического радиоактивного фона наглядно показывает, что вся наша Вселенная подвержена тонким температурным изменениям. Тем не менее, холодное пятно, или Сверхпустота Эридана, до недавнего времени оставалось большой загадкой для ученых, которые не могли объяснить, почему это пространство в космосе холоднее, чем окружающие его галактики.
Читайте «Хайтек» в
Реликтовое холодное пятно, которое также называют Сверхпустотой Эридана — это область в созвездии Эридан с необычно низким микроволновым излучением, которая появилась во Вселенной в момент Большого взрыва.
Температурное отклонение на 0,00015 градусов по Цельсию заставило ученых предположить, что реликтовое холодное пятно является супервойдом — пространством между галактическими нитями, в котором почти отсутствуют галактики и их скопления. Сверхпустота Эридана растянулась приблизительно на 1,8 миллиарда световых лет в поперечнике. В таком пространстве может уместиться около 10 000 галактик.
Таким образом, холодное пятно могло бы стать самой большой пустотой в своем роде, в составе которой содержится, примерно, на 20% меньше материи, чем в остальной части Вселенной. Однако, согласно новому исследованию, проведенному астрономами из университета Дарема в Великобритании, реальная картина может выглядеть несколько иначе, пишет Science Alert.
Физики создали вещество с отрицательной массой
Используя Англо-австралийский телескоп, команда ученых исследовала красные смещения 7 000 галактик, отмечая источники света, удаляющиеся от Земли в процессе расширения Вселенной. Полученные в результате этого эксперимента данные говорят о том, что, на самом деле, нет никакого супервойда, способного объяснить холодное пятно в рамках стандартной космологической теории. Предположительно, сверхпустота является скоплением гораздо меньших пустот, каждая их которых окружена галактиками.
Наиболее наглядным будет представление о пене, сотканной из множества «мыльных пузырей» (пустот). Астрономы говорят, что общая плотность вещества в меньших пустотах, если рассматривать их вкупе со скоплениями галактик вокруг, оказывается примерно такой же, как плотность вещества в других точках Вселенной за пределами холодного пятна.
По словам исследователей, нельзя в полной мере исключать вероятность того, что холодное пятно могло возникнуть из-за случайных изменений в стандартной космологии. Но такой вариант маловероятен, и для его обоснования потребовалось бы найти более экзотическое объяснение того, как же на самом деле появилась эта сверхпустота.
Электросамолет вертикального взлета и посадки совершил первый полет
«Пожалуй, самой захватывающей из гипотез является та, которая предполагает, что происхождение холодного пятна было вызвано столкновением нашей Вселенной с „мыльным пузырем“ другой вселенной», — рассказывает член команды ученых, астроном Том Шэнкс.
Представление о Мультивселенной, в которой наша Вселенная существует в своем «мыльном пузыре», в то время как параллельные вселенные развиваются внутри своих собственных, является лишь одной из множества теорий. Несмотря на это, ученые постоянно ищут необычные доказательства, которые гипотетически могли бы поддержать эту концепцию, а в качестве примера зачастую приводят колебания космического фонового излучения.
«Если дальнейший, более подробный анализ данных космического микроволнового фона докажет состоятельность этой теории, — говорит Шенкс, — то холодное пятно может стать первым в истории человечества свидетельством существования Мультивселенной, в которой миллиарды параллельных вселенных находятся бок о бок с нашей».
Совершен первый голографический звонок на 5G
Тем временем, команда американских и венгерских ученых пришла к выводу, что таинственная темная энергия, составляющая, по мнению некоторых ученых, до 68% Вселенной, может не существовать вовсе.
Как объяснить загадочное холодное пятно реликтового излучения
Рис. 1. Карта флуктуаций реликтового излучения в галактических координатах по данным космической обсерватории «Планк». Синим цветом обозначены области, которые примерно на пару десятков микрокельвинов холоднее красных. Изображение с сайта esa.int
Реликтовое излучение — свет от первичной плазмы ранней Вселенной, который сейчас регистрируется в виде микроволнового фона, — помогло разрешить множество вопросов космологии. Благодаря нему теория Большого взрыва стала стандартной теорией о Вселенной. И сейчас мы всё еще продолжаем получать важную информацию, изучая реликтовое излучение. Но в нем имеются аномалии, которые ученые до сих пор не понимают. Среди них — холодное пятно, с которым связана одна из самых горячих дискуссий в современной космологии.
Реликтовое излучение
Согласно стандартной космологической модели, когда Вселенная была молодая (начиная от момента в несколько секунд после Большого взрыва и несколько сотен тысяч лет потом), она была заполнена горячей плазмой — «супом» из свободных протонов, электронов и ионизирующего излучения (фотонов) высокой энергии. Если какой-нибудь протон соединялся с электроном, образуя атом водорода, то такой атом мгновенно разбивался фотонами. Время шло, Вселенная расширялась, а плотность и температура излучения падали. В какой-то момент энергии фотонов перестало хватать для поддержания плазмы. Протоны и электроны смогли образовывать нейтральные атомы водорода, а длина свободного пробега фотонов стала больше размеров видимой Вселенной — излучение отделилось от вещества и впервые после Большого взрыва Вселенная стала для него прозрачной. Освободившиеся фотоны мы наблюдаем сегодня в виде реликтового излучения (рис. 2).
Рис. 2. Примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва произошло отделение излучения от материи (маленькие кружочки с красными волнами). При этом из каждой точки излучение было испущено во все стороны сразу. Сейчас, спустя почти 14 миллиардов лет (на рисунке 14 миллиардов округлили до 15), мы видим это реликтовое излучение, приходящее со всех сторон. Изображение с сайта en.wikipedia.org
За счет расширения Вселенной длина волны реликтового излучения сегодня находится в миллиметровом диапазоне, но в момент, когда оно было испущено, она была примерно в 1100 раз короче (см. Космологическое красное смещение). Соответственно, температура этого излучения сегодня составляет 2,7 К, а в момент излучения — примерно 3000 К. Реликтовое излучение доминирует в современной Вселенной, то есть этих старых фотонов даже сейчас во много раз больше, чем фотонов от всех звезд (рис. 3).
Рис. 3. Карты неба в галактических координатах на разных длинах волн (длины волн указаны под каждой картинкой). На длинах волн до полумиллиметра самыми яркими являются разные небесные объекты, такие как Млечный Путь или зодиакальный свет (загогулина через все небо, наиболее яркая на 25 мкм). Но на миллиметровых волнах появляется очень яркое излучение, которое светит со всего небосвода. Это и есть реликтовое излучение. Источники изображений: видимый свет — сайт milkywaysky.com, длина волны от 1,25 до 240 мкм — данные фотометра DIRBE, большие длины волн — данные спектрофотометра FIRAS. Оба инструмента были установлены на спутнике COBE. Темные полосы на картах FIRAS происходят из-за особенностей сканирования неба; на небе таких полос, конечно, нет
Говоря о температуре реликтового излучения, имеют в виду, что частотный спектр этого излучения является спектром абсолютно черного тела с определенной температурой. Здесь употреблено не совсем научное слово «является» (ведь в науке проверяют, насколько теория соотносится с экспериментом). Но, глядя на измерения спектра реликтового излучения (рис. 4), иначе и не скажешь. Обратите внимание, что показанные ошибки измерений умножены на 400 — иначе их просто не было бы видно. Измерение спектра реликтового излучения — самое точное измерение во всей космологии.
Рис. 4. Частотный спектр реликтового излучения (точки с отрезками, указывающими на погрешности), измеренный инструментом FIRAS, и его сравнение со спектром абсолютно черного тела с температурой 2,725 К. Показана интенсивность в зависимости от частоты излучения (нижняя горизонтальная ось) или от длины волны (верхняя горизонтальная ось). Погрешности измерения умножены на 400
Открытие реликтового излучения в 1964 году американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном стало важнейшим подтверждением верности теории Большого взрыва. Еще бы: мы ведь увидели напрямую плазму молодой Вселенной, которой было всего около 400 тысяч лет (сравните с современным возрастом Вселенной — около 14 миллиардов лет). Сегодня, продолжая наблюдения реликтового излучения, мы узнаем все больше и больше о процессах, проходивших в те ранние эпохи.
Сейчас эксперименты в области наблюдения реликтового излучения сконцентрированы на изучении его анизотропии. Как уже говорилось, свет реликтового излучения приходит к нам со всех сторон. Фотоны реликтового излучения имеют практически одинаковую температуру, вне зависимости от направления их прилета (то есть реликтовое излучение почти изотропно). Однако имеются также небольшие флуктуации температуры по направлениям (анизотропия реликтового излучения). Амплитуда этих флуктуаций очень маленькая: среднее отклонение составляет около 10 −5 от средней температуры реликтового излучения (рис. 1).
Флуктуации температуры плазмы в ранней Вселенной определяются случайными процессами, поэтому для их изучения логично применять статистические методы. Для этого смотрят на корреляции флуктуаций по разным угловым расстояниям и строят так называемый угловой спектр мощности. Спектр мощности температурных флуктуаций, измеренный в различных современных экспериментах, показан на рис. 5. На нем показан спектр по так называемым мультиполям — величинам, обратно пропорциональным угловому расстоянию.
Рис. 5. Угловой спектр мощности температурных флуктуаций реликтового излучения, полученный по данным проектов Planck, WMAP (финальные результаты за 9 лет наблюдений), ACT и SPT. Спектр мощности показывает, насколько флуктуации коррелируют на разных угловых масштабах. Например, высокий пик на 1° (верхняя горизонтальная ось; на нижней оси показано значение мультиполя: l = π/α, где α — угол с верхней горизонтальной оси) означает, что наиболее типичным размером флуктуаций является 1°. Серая пунктирная линия показывает сравнение экспериментальных данных со стандартной космологической моделью. График из статьи Planck Collaboration, 2013. Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results
Важным результатом этих измерений является сравнение измеренного спектра мощности с ожиданием согласно стандартной космологической модели (которая, напомним в двух словах, заключается в том, что Вселенная, на 70% состоящая из темной энергии и на 25% — из темной материи, разлетается после Большого взрыва, случившегося 13,8 миллиардов лет назад). Совпадение с теоретическим спектром наблюдается с высокой точностью, что подтверждает верность нашей модели Вселенной.
Холодное пятно реликтового излучения
Флуктуации реликтового излучения распределены по небесной сфере очень равномерно: мы не видим, чтобы в какой-то области неба красные (или синие) пятнышки были больше или меньше. Ну, то есть почти не видим. Имеется по крайней мере одна аномалия, называемая «холодным пятном» (см. CMB cold spot). Она находится в созвездии южного полушария Эридан и имеет радиус примерно 5° (рис. 6). Температура реликтового излучения в районе пятна на 70 мкК ниже, чем в среднем (при том, что среднее отклонение по всему небу составляет только 18 мкК), а в его центре температура падает вообще на 150 мкК. Холодное пятно было впервые обнаружено в 2001 году при помощи WMAP — космического микроволнового телескопа второго поколения (первое поколение экспериментов по исследованию флуктуаций реликтового излучения было в 80–90-х годах, сейчас начинается уже четвертое поколение).
Рис. 6. Карта флуктуаций реликтового излучения в галактических координатах по данным спутника Planck. На врезке крупно показано холодное пятно. Изображение с сайта astronomy.com
Но главная проблема даже не в температуре холодного пятна, а в его размере. Просто глядя на карту реликтового излучения, сложно сказать, что выделенное холодное пятно является чем-то необычным и странным. Казалось бы, имеются и красные (горячие) и синие (холодные) пятна гораздо большего размера. Тут, во-первых нужно помнить, что эта картинка — восстановленная карта флуктуаций реликтового излучения. Всё, что находится на центральной горизонтали, на самом деле скрыто от нас излучением Млечного Пути (см. рис. 3). И требуется непростая процедура комбинирования карт неба на разных частотах, чтобы «вычесть» нашу Галактику. В итоге мы получаем полную карту реликтового излучения, но областям, скрытым за Млечным Путем, особого доверия нет, и в анализе они обычно не используются. Большинство видимых глазом пятен лежит именно в этой ненадежной области карты. Холодное же пятно лежит в «чистой», надежно измеренной области неба, далеко от Млечного Пути. Во-вторых, оно и правда необычайно холодное.
Чтобы объяснить, почему холодное пятно такое странное, введем понятие горизонта. Горизонт — это максимальное расстояние, которое частица может пролететь с момента Большого взрыва, если она движется со скоростью света. Горизонт ограничивает причинно связанные области Вселенной: так как информация (то есть любой вид физических взаимодействий) не может распространяться быстрее скорости света, области Вселенной, отделенные друг от друга на расстояние больше горизонта, не должны иметь ничего общего между собой. В момент отделения реликтового излучения горизонт имел размер, который сегодня виден под углом примерно 1° (вспомните, что первый пик на спектре мощности находится именно на значении 1°). Таким образом, очень странно видеть, что в холодном пятне температура коррелирует на больших расстояниях. Выглядит так, будто в этом месте произошло что-то, что распространялось со скоростью больше скорости света.
На самом деле ученые так и считают, что в ранней Вселенной был процесс, расширявший пространство быстрее скорости света. Этот процесс происходил в эпоху инфляции, закончившуюся примерно через 10 −33 с после Большого взрыва. Благодаря инфляции сегодня мы видим реликтовое излучение изотропным на больших угловых расстояниях.
Но теперь, если Вселенная с самого начала была бесконечной, то почему реликтовое излучение имеет почти одинаковую температуру по всему небосводу? Ведь мы говорили, что размер горизонта составляет всего около 1°! А значит, реликтовое излучение должно состоять из многочисленных причинно не связанных областей. И очень странно видеть, что они такие одинаковые. Это называется проблемой горизонта (см. Horizon problem).
Чтобы справиться с этой проблемой (и несколькими другими связанными задачами), физики Алан Гут, Андрей Линде и Пол Стейнхардт разработали теорию инфляции, согласно которой вся наблюдаемая нами сегодня Вселенная «раздулась» (английское слово «inflate» означает «надувать») из некоторой небольшой причинно связанной области. Теория инфляции, которая нередко рассматривается как часть стандартной модели космологии, предполагает, что в промежуток от 10 −36 с до 10 −33 –10 −32 с после Большого взрыва Вселенная расширялась с огромным ускорением (затем она продолжила расширяться, но уже без ускорения). Хотя до сих пор физики не пришли к единому мнению, за счет какого именно процесса Вселенная расширялась с ускорением в период инфляции, имеются многие экспериментальные указания, что это было действительно так. В настоящий момент ведутся поиски последнего доказательства инфляции — B-мод поляризации реликтового излучения.
И благодаря инфляции мы получили неоднородности в распределении плотности Вселенной, из которых позднее сформировались галактики (сначала эти неоднородности были микроскопическими квантовыми флуктуациями, которые затем «раздулись» до больших размеров). Однако, хотя инфляция и предлагает механизм, связывающий области Вселенной на сверхгоризонтных расстояниях, всё равно странно: почему везде неоднородности реликтового излучения имеют размер в 1° и меньше, а в районе холодного пятна — целых 5°?
Итак, подведем промежуточные итоги. На карте реликтового излучения имеется очень странная аномалия — холодное пятно. Она отличается большим размером, около 5°, и низкой температурой — отклонение от средней температуры реликтового излучения почти в 10 раз больше, чем в других областях неба.
Объяснение с помощью пустоты
Появление холодного пятна можно объяснить по крайней мере двумя способами: можно предположить, что оно происходит от какого-то процесса в ранней Вселенной, а можно поискать, что могло отпечататься на реликтовом излучении в более поздние эпохи. Обсудим сперва вторую возможность.
Проще всего можно объяснить появление холодного пятна, предположив наличие пустоты в распределении галактик в данном направлении. Мы знаем, что галактики во Вселенной формируют крупномасштабную структуру, состоящую из скоплений, связывающих их нитей и пустот (войдов) между ними.
Крупномасштабная структура Вселенной в компьютерном моделировании, основанном на стандартной космологической модели. Каждая светящаяся точка — галактика. Размер изображенной области более 100 миллионов световых лет в поперечнике
Почему пустота может объяснить наличие холодного пятна? Рассмотрим фотон реликтового излучения, проходящий через пустоту. Входя в пустое пространство из области с более высоким гравитационным потенциалом, фотон теряет энергию за счет гравитационного красного смещения. То есть фотону нужно затратить энергию, чтобы выбраться из ямы гравитационного потенциала. Выходя из пустоты, фотон снова набирает потерянную энергию. Однако, в случае расширяющейся Вселенной, к моменту выхода из пустоты гравитационный потенциал будет уже не таким глубоким, и фотон не получит полностью потерянную энергию. Таким образом, пустоты делают фотоны реликтового излучения более холодными. А скопления, наоборот, разогревают их. В среднем оба эффекта компенсируют друг друга. Однако если мы имеем большую пустоту недалеко от нас, то охлаждение фотонов реликтового излучения может оказаться заметным.
Пустота поблизости от нас — более предпочтительное объяснение образования холодного пятна, чем аномалия в ранней Вселенной, потому что сегодня горизонт намного больше, чем был тогда. То есть анизотропия в ближайшем окружении более вероятна, чем в дальнем. В статье «Космические нарушители спокойствия: холодное пятно, супервойд Эридана и великие стены» (A. Kovács, J. García-Bellido, 2016. Cosmic troublemakers: the Cold Spot, the Eridanus Supervoid, and the Great Walls), опубликованной летом 2016 года, ее авторы Андраш Ковач и Хуан Гарсия-Беллидо заявляют, что обнаружили пустоту в направлении холодного пятна (эта статья подводит итоги и дополняет более ранние исследования этого вопроса, см., в частности, статью Иштвана Сапуди, Андраша Ковача и др.: I. Szapudi et al., 2015. Detection of a Supervoid Aligned with the Cold Spot of the Cosmic Microwave Background). Обнаруженная пустота в созвездии Эридан — именно такая, как нужно: узкая и очень длинная, простирающаяся от нас до значения красного смещения z = 0,3 (то есть на дальнем краю этой пустоты мы видим Вселенную, которая в 1,3 раза меньше современной, это около 800 Мпк).
Детально изучив эту пустоту, Ковач и Гарсия-Беллидо заключили, что она состоит из цепочки соединенных между собой пустот меньшего размера. Плотность вещества в ней примерно на 25% меньше, чем в среднем по локальной Вселенной. Длина пустоты вдоль линии взгляда — примерно 500 Мпк, а ширина — около сотни Мпк. Однако всё честно исследовав, ученые пришли к выводу, что пустота Эридана все-таки недостаточно «пустая», чтобы объяснить возникновение холодного пятна. Она может снизить температуру реликтового излучения в данном направлении лишь на 40 мкК из наблюдаемых 150.
Получается противоречивый вывод. С одной стороны пустота Эридана и холодное пятно явно связаны друг с другом, ведь оба они находятся в одном и том же месте на небосводе. Но обнаруженная пустота явно недостаточна, чтобы полностью обосновать эту связь. Возможно ли, что такая связь все-таки существует, но, чтобы ее обнаружить, нам необходим детальный пересмотр всей нашей космологии? Тогда холодное пятно окажется окном в новую захватывающую физику!
Стоп, не так быстро. Может, еще и нет никакой новой физики. В статье за апрель 2017 года «Указание против существования пустоты, связанной с холодным пятном реликтового излучения» (R. Mackenzie et al., 2017. Evidence against a supervoid causing the CMB Cold Spot) уже упоминавшийся Иштван Сапуди с коллегами показывают, что пустота Эридана не такая большая. Согласно их расчетам, она имеет размер всего 100 МПк и на 34% менее плотная, чем окружающая Вселенная. И хотя, по этим расчетам, пустота Эридана оказывается более пустой, она может объяснять понижение температуры реликтового излучения всего на 6 мкК. Вдоль направления на холодное пятно имеются еще пара пустот, но они еще меньше, чем эта и в сумме не дают и близко нужного эффекта.
Нужно пояснить, почему в разных исследованиях получаются разные результаты. Наблюдая галактику в телескоп, мы можем весьма точно измерить ее положение на небосводе, но измерение расстояния до нее — не такая простая задача. То есть для построения трехмерной карты неба имеются две хорошо измеренные координаты и одна — плохо измеренная. Для определения расстояний требуется измерение красного смещения, которое, как уже было сказано выше, указывает на то, насколько меньше была Вселенная в момент, когда свет от удаленной галактики был испущен. Фактически, красное смещение — это измерение расстояний на сверхдалеких дистанциях (начиная от
100 Мпк). Красное смещение, в свою очередь, измеряется по спектрам звезд: сам термин «красное смещение» означает, что спектры свечения далеких объектов смещены в сторону длинных волн (кажутся более красными). Поэтому для измерения красного смещения необходимо использовать не простой телескоп, а какой-то инструмент, чувствительный к длине волны излучения.
Используются два подхода: фотометрический и спектрометрический. Фотометрический заключается в том, что телескоп обозревает небо по нескольким длинам волн, каждую длину волны отдельно (примерно, как в цифровом фотоаппарате: отдельно снимаются красный, зеленый и синий цвета). Фотометрический подход позволяет изучать все объекты, попавшие в поле зрения телескопа, разом. Но при этом он дает плохую чувствительность по спектру. Спектрометрический подход заключается в использовании спектрометра отдельно для каждого объекта в поле зрения телескопа. При этом получается отличное измерение спектра. Но это измерение трудно провести для всех объектов, которые видны в телескоп (измерение спектра каждого объекта требует времени, пусть и небольшого). Поэтому приходится выбирать, для каких объектов измерять спектр, а для каких — нет. Получается, что оба метода дают погрешности: у фотометрии это погрешность измерения красного смещения, а у спектрометрии — погрешность из-за ограниченной выборки. В первой из обсуждаемых статей использовались и фотометрические, и спектрометрические измерения, при этом спектрометрические данные были сконцентрированы больше на небольших значениях красного смещения (ближняя к нам область). Использованные каталоги содержат почти 100 тысяч галактик, хотя большая их часть расположена на красных смещениях z −32 с после Большого взрыва закончилась эпоха инфляции, когда Вселенная расширялась с ускорением. Еще раньше, через 10 −36 с после него, была эпоха, когда сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в одно. Но стройной теории, которая объясняла бы процессы в эту эпоху, у нас нет. А еще раньше, до момента 10 −43 с, была таинственная Планковская эпоха. Мы пока вообще не понимаем, чем было тогда пространство и время. Различные предположения и спекуляции об этих ранних эпохах предсказывают такие загадочные вещи, как космические струны или монополи. Холодное пятно может вполне оказаться отпечатком такой ранней особенности, если существовали, например, какие-то неоднородные текстуры пространства-времени (M. Cruz et al., 2007. A Cosmic Microwave Background Feature Consistent with a Cosmic Texture) или неоднородности в инфляционном поле (Juan C. Bueno Sánchez, 2014. The inflationary origin of the Cold Spot anomaly).
Другое экзотическое объяснение предполагает, что в начале эпохи инфляции наша Вселенная столкнулась с другой вселенной, что привело к возникновению холодного пятна (K. Larjo, T. S. Levi, 2009. Bubble, Bubble, Flow and Hubble: Large Scale Galaxy Flow from Cosmological Bubble Collisions). Теория инфляции, во многих ее интерпретациях, предполагает, что мы живем в некотором изолированном пузыре-вселенной и что существует еще огромное количество пузырей, в которых, может быть, эволюция вселенной пошла совершенно другим путем. Если в начале инфляции наш пузырь столкнулся с другим, то можно ожидать увидеть пятно или дискообразную структуру на реликтовом излучении (представьте, что мы живем в мыльном пузыре, который когда-то пересекся с другим пузырем: если они пересеклись чуть-чуть, то на нашем пузыре может остаться пятно, а если пересеклись сильно, то останется кольцо). Если так, то холодное пятно может стать первым наблюдаемым явлением, отражающим экзотическую физику ранней Вселенной, в том числе физику струн.
Рис. 7. Теория инфляции подразумевает, что мы живем в изолированном пузыре-вселенной и что существует еще множество других пузырей, где могут быть другие вселенные. Рисунок с сайта bbc.com
Впрочем, не стоит забывать, что холодное пятно может оказаться просто случайным образованием. Если взять физические параметры нашего мира и смоделировать много случайных симуляций Вселенной, то в одной на 50 симуляций будет что-то похожее на наше холодное пятно. А это не такая уж низкая вероятность.
В заключение стоит также отметить, что наша стартовая точка, утверждение о том, что холодное пятно является чем-то очень необычным, — не такое уж безапелляционное. Как вообще определили, что именно эта структура является аномальной? Для этого на измеренную карту флуктуаций температуры реликтового излучения примеряют функцию, по форме напоминающую мексиканское сомбреро. С помощью разных сомбреро можно отыскивать аномалии разного углового размера. Такой анализ показывает исключительность холодного пятна. Но на что именно реагирует анализ? Оказывается, что анализ реагирует не только на низкую температуру в центре пятна, но и на кольцо повышенной температуры вокруг него. Не будь этого горячего кольца, значимость холодного пятна была бы ниже. Хотя даже и тогда холодное пятно остается исключительной и непонятной аномалией.
Источники: 1) A. Kovács, J. García-Bellido, 2016. Cosmic troublemakers: the Cold Spot, the Eridanus Supervoid, and the Great Walls // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 21 October 2016. DOI: 10.1093/mnras/stw1752. 2) R. Mackenzie et al., 2017. Evidence against a supervoid causing the CMB Cold Spot // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 11 September 2017. DOI: 10.1093/mnras/stx931.
