Войды представляют собой одни из крупнейших объектов в космосе. Их средние размеры могут колебаться от 10 до 150 мегапарсек. Однако в то же время эти объекты практически полностью состоят из пустоты. Само слово «войд» (англ. – «void») переводится с английского языка как пустота. Войды – астрономические пустоты, которые не содержат внутри себя ни галактик, ни звёзд. Но даже эти, казалось бы, пустынные межгалактические пространства не так пусты, как раньше казалось астрономам.
Длительные наблюдения за войдами при помощи самых современных телескопов показали, что пространства, которые они занимают, все-таки состоят из некоторых компонентов. Наиболее распространенными компонентами, которые наиболее часто встречаются в войдах являются протогалактические облака – огромные облака, состоящие из пыли и газа, из которых впоследствии формируются галактики. Но это еще не все.
Не так давно, в 2014 году, астрономами был обнаружен интересный факт: свет, исходящий от далеких галактик и звёзд, проходящий сквозь войды – искажается. Ученые долго ломали голову над тем, почему возникает данное явление. Понятно, что лучи света могут немного искажаться из-за движения атмосферы, космической пыли, несовершенства линз телескопов, но столь большое преломление…
Есть данные, подтверждающие тот факт, что такое преломление света, проходящего сквозь войды, вызвано тем, что в состав этих астрономических объектов входит тёмная материя. Ученые считают, что это специфический вид материи, который не имеет собственного электромагнитного поля. Из-за отсутствия этого поля, произвести наблюдения тёмной материи при помощи современных, доступных науке методов очень сложно. Тем не менее, путём применения косвенных теорий, специальных математических вычислений и наблюдений, ученым находят подтверждение, что такая материя действительно существует.
Одним из фактов, подтверждающих это является преломление в войдах света, исходящего от удаленных космических объектов. Считается, что определенную часть войдов занимает тёмная материя, которая и вызывает его преломление. Этот интересный научный факт признается множеством астрономов во всем мире.
Один из ближайших к нам войдов – Войд Козерога. Он находится по соседству со сверхскоплениями Павлина-Индейца и Змееносца. Данный астрономический объект удален от нашей галактики Млечный Путь на расстояние около 100 миллионов световых лет. Находится данный объект в созвездии Козерога.
Примерно на том же расстоянии, что и вышеназванный объект, находятся войды Волопаса и Скульптора. Эти космические объекты чрезвычайно велики. К примеру, размер окружности войда Волопаса равен примерно 250 миллионов световых лет.
Войды могут достигать колоссальных размеров, которые способны впечатлить не только астрономов, но и людей, далеких от этой науки. К примеру, диаметр гигантской пустоты АР-LP 36 – одного из наиболее крупных, известных человечеству войдов, равен 400 мегапарсек. В это же время диаметр нашей галактики Млечный Путь равен всего 0,03066 мегапарсек.
Существуют в наблюдаемой Вселенной и менее крупные войды, которые, тем не менее, также способны впечатлить своими размерами, как астронома-любителя, так и обыкновенного человека. К примеру, диаметр Южного локального супервойда равен 112 мегапарсек, а Северного – 112. Оба супервойда соседствуют со Сверхскоплением Девы, в которое входит галактика Млечный Путь и соответственно наша родная планета.
Наиболее крупные космические пустоты именуются супервойдами. Средняя плотность материи в них менее десятой доли от типичной для наблюдаемой Вселенной.
Войды впервые были обнаружены в 1978 году Стефаном Грегори и Лаярдом А.Томпсоном в Национальной обсерватории Китт Пик, а также Яаном Эйнасто, Михкелем Йыэвээром и Э.Таго из Тартуской астрофизической обсерватории.
Космические пустоты стали объектом изучения астрофизики в середине 1970-х годов, когда астрономические обзоры, измеряющие красное смещение, стали более популярными и позволили двум независимым группам астрофизиков в 1978 году распознать сверхскопления и войды в пространственном распределении галактик. Новые обзоры добавили в двухмерные карты космических структур «глубину», позволив начать создавать первые трёхмерные карты наблюдаемой Вселенной. В этих обзорах расстояние до галактик рассчитывалось из величин их красного смещения, возникающего из-за расширения Вселенной.
Войды – одни из крупнейших образований в природе, занимающие основную часть пространства во Вселенной. Главная особенность данных структур заключается в том, что в войдах плотность видимой материи значительно ниже её средней плотности во Вселенной. Будучи главными элементами крупномасштабной структуры, войды разграничиваются галактическими нитями.
Средний размер войдов достигает 40 мегапарсек (≈ 130 миллионов световых лет), однако во Вселенной присутствуют более масштабные пустоты – супервойды (англ. supervoids), средний диаметр которых составляет 100Мпк. Одним из крупнейших обнаруженных супервойдов является «Гигантский войд» с диаметром в 300-400 Мпк.
В войдах могут быть «тёмная энергия» и протогалактические облака. Кроме того, по опубликованным в 2014 году данным астрономы из Университета Пенсильвании обнаружили в войдах небольшие искажения в направлениях распространения света, создаваемые, предположительно, тёмной материей. Для этого были использованы данные Слоановского цифрового небесного обзора для 40 миллионов галактик и 20 тысяч войдов.
Вопрос образования космических пустот неразрывно связан с проблемой формирования крупномасштабной структуры Вселенной. Компьютерные расчёты и наблюдения подтверждают вывод, что ячеистая структура Вселенной возникла из начального Гауссова поля возмущений плотности.
По современным представлениям, на самых ранних стадиях расширения Вселенной вещество было распределено почти идеально однородно. В фазу инфляции малые по величине и случайно возникающие квантовые флуктуации полей стремительно разрастались. Они привели к неоднородностям плотности материи, которые в дальнейшем развивались благодаря гравитационной неустойчивости. Нелинейный рост возмущений вызвал преимущественное сжатие материи вдоль одного из направлений, из-за чего вещество концентрировалось на каустиках, которые далее пересекались и стали нитями. Соответственно, войдами стали места с весьма низкой плотностью материи. В итоге образовалась наблюдаемая структура Вселенной с сохранением крупномасштабной однородности и изотропности.
Была подтверждена возможность формирования сети нитей и войдов по описанному выше сценарию, но только если учитывать сильное влияние тёмной материи. Поэтому считается, что ключевую роль в процессе сыграли неоднородности плотности именно тёмной материи. Без её неравномерного распределения развивающиеся возмущения плотности видимого вещества не смогли бы вырасти настолько, чтобы образовать наблюдаемый облик Вселенной.
Совсем недавно ученые обнаружили самое большое холодное пятно во Вселенной (по крайней мере известной науке Вселенной). Оно расположено в южной части созвездия Эридан. Своей протяженностью в 1,8 миллиарда световых лет это пятно ставит ученых в тупик, потому что они даже предположить не могли, что такой объект может действительно существовать.
Несмотря на наличие слова «войд» в названии, пространство здесь не совсем пустое. В этом регионе космоса расположено примерно на 30 процентов меньше скопления галактик, чем в окружающем их пространстве. По мнению ученых, войды составляют до 50 процентов объема Вселенной, и этот процент, по их же мнению, будет продолжать расти благодаря сверхсильной гравитации, которая притягивает к себе всю окружающую их материю. Интересным этот войд делают две вещи: его невообразимый размер и его отношение к загадочному холодному реликтовому пятну WMAP.
Что интересно, новый обнаруженный супервойд сейчас воспринимается учеными как лучшее объяснение такого явления, как холодные пятна, или регионы космического пространства, заполненные космическим реликтовым (фоновым) микроволновым излучением. Ученые долгое время спорят, чем же на самом деле являются эти холодные пятна.
Одна из предложенных теорий, например, предполагает, что холодные пятна являются отпечатками черных дыр параллельных вселенных, вызываемых квантовой запутанностью между вселенными. Однако многие ученые современности больше склоняются к мнению о том, что появление этих холодных пятен может провоцироваться супервойдами. Объясняется это тем, что когда протоны проходят через войд, они теряют свою энергию и слабеют.
Тем не менее есть вероятность, что расположение супервойдов относительно близко к расположению холодных пятен может являться простой случайностью. Ученым предстоит провести еще немало исследований на этот счет и в конце концов выяснить, являются ли войды причиной возникновения загадочных холодных пятен или их источником является нечто иное.
Самые громадные элементы крупномасштабной структуры Вселенной вовсе не неподвижны. Нити и «стены», сложенные целыми скоплениями галактик, обширные войды – пустоты между ними – перемещаются, сходятся и сливаются, как пузыри мыльной пены.
Размеры этих структур превышают все мыслимое. Войды – практически лишенные и обычной, и темной материи пустоты Вселенной – тянутся на многие десятки мегапарсеков, сотни миллионов световых лет, оплетенные нитями «космической паутины». Почти лишенные материи, они не имеют собственной гравитации. Поэтому считалось, что (без учета изменения размеров, вызванного расширением Вселенной) эти войды неподвижны и статичны. Однако аргентинские астрономы недавно показали, что это не так и «провалы Вселенной» должны двигаться и сливаться друг с другом.
«Мы были очень удивлены, обнаружив такое крупномасштабное, согласованное движение», – говорит один из авторов работы Диего Ламбас (Diego Lambas). Данные космического обзора Sloan Digital Sky Survey ученые сравнили с моделью, описывающей «космическую сеть» крупномасштабной структуры Вселенной, которая содержит более 200 войдов. Обнаружилось, что они имеют собственное движение относительно расширяющегося пространства, и немалое: 300-400 км/с.
Не стоит забывать, что сами по себе войды – лишь пространство пустоты и реально движутся их «стенки», сложенные скоплениями галактик, нитями темной и обычной материи. Поэтому сравнительно некрупные войды демонстрируют тенденцию сливаться друг с другом. Их окружают более или менее плотные скопления, которые за счет своей гравитации стремятся схлопнуться. При этом более крупные войды, лежащие в областях с плотностью ниже средней, наоборот, расширяются.
Крупномасштабная структура Вселенной не статична. В небольших промежутках времени она постоянно меняется, причем движутся все ее детали – и скопления галактик, и нити темной материи, и даже почти совершенно пустые войды.
Вселенная пронизана магнитными полями, и самые сильные из них создают магнетары, которые окружены полями величиной до 1011Тл. Для сравнения: рекордное поле, полученное людьми, было около 100 Тл, а магнитное поле Земли и вовсе составляет всего 5•10-5Тл, но даже это еще не рекорд скромности. Самыми слабыми магнитными полями в космосе обладают войды – гигантские беззвездные пустыни, лежащие между скоплениями галактик.
«Измерения и расчеты показывают, что у войдов есть магнитные поля, но только очень маленькие, – рассказывает первый автор исследования, сотрудник ГАИШ МГУ и ИЯИ РАН Максим Пширков. – Они точно сильнее, чем 10-21Тл, но не больше 3•10-13Тл». Российские ученые в своем исследовании уточнили верхнюю границу этой оценки.
Для этого астрофизики посмотрели на сигналы от 4000 радиоисточников, находящихся на разных расстояниях от Земли. Каждый из них излучает электромагнитные волны с определенной поляризацией, которая меняется при прохождении волны через магнитное поле. При этом интенсивность этого эффекта зависит не только от величины магнитного поля, но и от длины волны: чем она больше, тем больше у проходящей электромагнитной волны меняется поляризация.
Поэтому, фиксируя поляризацию приходящих на Землю радиоволн разных частот и зная примерное положение источника, можно оценить, через какие магнитные поля они проходили за свое долгое путешествие в космосе. Основной вклад в изменение поляризации радиоволн дает магнитное поле нашей Галактики, через которое излучение неминуемо проходят по пути к Земле. Оно гораздо больше полей всех встреченных войдов, а вероятность прохождения излучения через другие галактики, по словам ученых, минимальна.
Поэтому ученые специально оценивали величину магнитного поля Млечного Пути с помощью обработки и усреднения сигналов от нескольких десятков ближайших источников и дальше вычитали эффект, связанный с нашей родной Галактикой из общего сигнала. «В результате даже в излучении источников, излучавших более 10 миллиардов лет назад, мы не увидели никакого эффекта, связанного с магнитным полем, – говорит Максим Пширков. – Никакой эволюции плоскости поляризации, и значит, радиоизлучение на своем пути не встречало полей значительной силы».
По отсутствию сигнала ученые оценили максимальное значение магнитного поля в войдах: «Да, мы не увидели никакого эффекта, но все физические наблюдения неминуемо обладают какими-то ошибками, и поэтому можно оценить, сколько магнитного поля добавить в войд, чтобы на выходе в пределах погрешностей получился нулевой эффект».
Из этих расчетов получилось, что поле в межгалактических пустотах не превышает 10-13Тл, что как минимум в миллиард раз слабее магнитного поля на Земле.
Одним словом, оно почти неуловимо и в довесок еще не до конца объяснимо. «В этом исследовании мы выступили в некотором смысле агностиками и просто ставили наблюдение без рассуждений о природе этого поля», – рассказывает Пширков. «По современным представлениям оно могло появиться только двумя способами: либо с помощью нетрадиционной физики родиться в самой ранней Вселенной, либо возникнуть чуть-чуть позже: примерно через 500-1000 миллионов лет в астрофизических объектах вроде галактик, откуда в межгалактическое пространство его вынес сверхмощный поток вещества – джеты активных ядер галактик или сверхсильные звездные ветры».
Работа ученых, выполненная при поддержке Российского научного фонда, опубликована в журнале Physical Review Letters. Ее результаты должны очень обрадовать людей, занимающихся астрофизикой космических лучей. Раньше считалось, что эти потоки высокоэнергетичных частиц отклоняются магнитными полями войдов, и потому перспективы определения источников лучей были очень туманными. Новые результаты показывают, что этот неприятный эффект можно не учитывать – магнитные поля войдов очень малы.
Дыра, в которой находится Млечный путь, крупнейшая во Вселенной. Об этом на конференции Американского астрономического общества (American Astronomical Society – AAS) объявили американские астрономы Бен Хошайт (Ben Hoscheit) и Эйми Баргер (Amy Barger) из университета штата Висконсин вМэдисоне (University of Wisconsin – Madison).
Войд – так, выражаясь научным языком называется это огромное пустое пространство, о котором рассказывают ученые. В поперечнике оно достигает миллиарда световых лет. Войдов большего размера, чем наш, во Вселенной не видать, хотя она вся соткана из сгустков галактических скоплений и пустот протяженностью в сотни миллионов световых лет.
В целом Вселенная – со своими узлами-скоплениями и соединениями между ними – удивительно похожа на нейронную сеть, которая словно бы находится внутри чей-то бесконечно большой головы.
По идее, скопления и пустоты должны быть распределены равномерно. Как и в голове. То есть, Вселенной положено быть однородной. Как и нейронной сети. Однако встречаются звездные супер-скопления – галактические кластеры и даже супер-кластеры. Встречаются и гигантские пустоты – войды. А это загадка.
Какая-то сила толкает Млечный путь так, что он несется куда-то с огромной скоростью. Похоже, что наша галактика не до конца времен будет находится в пустоте. Когда-нибудь из нее выберется. Ведь Млечный путь летит куда-то в глубины Вселенной, разогнавшись до 2 миллионов километров в час.
Вот уж более 30 лет принято считать, что нашу галактику – Млечный путь – тянет в свою сторону Великий Аттрактор (Great Attractor). Он же Великий Центр Притяжения, который расположен в созвездии Наугольник. И представляет собой галактическое сверхскопление небывалого размера – в миллион миллиардов раз тяжелее Солнца и в десятки тысяч раз массивнее Млечного пути.
Недавние наблюдения однако показали: наша и соседние галактики и даже скопления галактик находятся под влиянием, как минимум, еще одного объекта. Он не тянет, как Великий Аттрактор, а наоборот, толкает. Только с другой стороны. Астрономы из Израиля, Франции и США, проводившие исследования на базе Еврейского университета (Hebrew University of Jerusalem) назвали «толкача» Дипольным Отпугивателем. Или Дипольным Отталкивателем (Dipole Repeller). Он, по мнению ученых, тоже представляет собой гигантскую область пустого пространства. То есть, по соседству с нашей дырой – с одной стороны находится галактический узел, а с другой – еще какая-то дыра.
Расширяющаяся Вселенная весьма неоднородна: где-то, как говорится, густо, а где-то – совсем пусто. Именно там, где имеются не просто гигантские, а невообразимо огромные пузыри вселенских пустот, которые называют войдами, проявляются следствия чрезвычайно интересного свойства. Космологи доказывают, что войды могут усиливать свет отдаленных светил.
Войды не содержат видимых объектов – галактик и звезд, светящихся видимом диапазоне электромагнитных волн. Кстати, в рентгене и гамма-излучении Вселенная тоже пятнисто-неоднородная. Но пока констатируем, что войды обеднены светящейся материей. Наша интуиция подсказывает, что сугубая пустота никак не может влиять на наблюдения отдаленных объектов вне этих областей. Однако логические построения ученых убеждают в том, что необычные свойства пустоты реальны, и объяснения оказываются до изумления просты и убедительны.
Международная научная группа, объединяющая шесть специалистов и руководимая космологом Крисом Кларксоном из Кейптаунского университета (ЮАР), изложила свой взгляд на природу вселенской пустоты. Из наблюдений известно, что войды имеют чудовищные объемы, лишенные звездного и галактического населения, в поперечнике они достигают размеров от 11 до 150 мегапарсек. До недавнего времени существовала уверенность в том, что никакого влияния они не должны оказывать на свет звезд или квазаров, располагающихся за ними, если наблюдатель с Земли исследует эти отдаленные объекты.
Также хорошо известно явление гравитационного линзирования: если по лучу зрения между наблюдателем и отдаленным светящимся объектом располагается сверхмассивный объект, то изображение отдаленного объекта характерным образом преобразуется из-за гравитационного изгиба световых лучей, когда огромное промежуточное тело воздействует на фотоны, проходящие в близости от него, изгибая их траектории.
Оказывается, войды тоже могут вносить характерные искажения в наблюдаемые объекты. В зависимости от формы этой пустой области (она может быть сферической, квазисферической, цилиндрической и др.), световой сигнал от иных объектов меняется, как показано в работе Криса Кларксона и его коллег.
На самом деле, если гравитация отклоняет свет, гравитационное линзирование может, наоборот, усиливать свет от далеких объектов Вселенной. Но такая гравитационная линза работает при наличии сверхмассивного тела, искривляющего своим гравитационным полем направление летящих мимо фотонов электромагнитного излучения. Если же нет гравитирующей огромной массы, значит, не может быть и гравитационного линзирования.
Предложенное авторами работы «антилинзирование» объясняется ими очень просто. Очевидно, что наблюдающееся и ускоряющееся расширение Вселенной должно сдерживаться только гравитацией – силой тяготения масивных тел, звезд и галактик. Равномерное распределение материи обеспечило бы равномерное же расширение Вселенной (собственно, существование войдов свидетельствует о неравномерности расширения). А в беззвездной пустоте сила тяготения значительно уменьшена, поэтому данные пустоты – это рекордсмены по части расширения и возрастания объемов! Области же, насыщенные материей, расширяются медленнее.
А теперь применим вышесказанное к наблюдениям светящихся объектов через войды. Звезды и галактики на ближней к наблюдателю стороне войда в итоге сдвигаются к Земле (сравниваем с вариантом – «без войда»), а светящиеся объекты на дальней границе пустого пузыря войда должны отдаляться от наблюдателя – ведь войд расширяется быстрее, чем окружающая среда. Остается очевидное следствие: свет от звезд на ближней границе испытает сдвиг в голубую часть спектра, а на дальней границе войда звезды обнаружат сдвиг в красную часть спектра.
Идея наличия «антилинзирования» подобна тектоническим потрясениям основ, потому что расстояния до удаленных объектов, а также их возраст сегодня определяются по красному смещению, которое принято считать (за пределами эффектов гравитационного линзирования) наиболее надежным и точным свидетельством удаленности объектов.
Становится понятным, что отсутствие учета эффектов антилинзирования не может не приводить к ошибочному определению вышеуказанных расстояний и возрастов множества отдаленных объектов: галактики и квазаров. Авторы «антилинзирования» пишут об этом: «Мы определяем дистанцию до них неправильно – полагаем, что они дальше, чем есть в действительности». При определении светимости звезд и иных объектов астрономы делают поправку на расстояние. При этом оценка первоначальной светимости звезды, находящейся в десятке миллиардов световых лет, окажется завышенной по сравнению с ее реальной светимостью.
Далее, за счет голубого смещения можно получить неточность при оценке расстояния до звезд, находящихся у ближней к нам границы войда. Авторы определяют возможную разницу оценок. Для войда в 325 миллионов световых лет в поперечнике на удалении в 1,3 миллиарда световых лет от Земли галактический объект на другой стороне войда будет для нас на один процент ярче и на три миллиона световых лет дальше, чем они есть в действительности. Итак, потрясение основ оказалось не катастрофическим. Ошибка невелика, да и войды такого размера не из маленьких.
Итак, существенных изменений для большинства объектов ранней Вселенной вряд ли можно ожидать. Но если один войд накладывается на другой, расположенный через какой-то пространственный промежуток и на одной линии с земным наблюдателем, ошибка при определении расстояний (и древности) до объектов за последовательностью кратных войдов (скажем, из ранней Вселенной) может быть существеннее.
Однако и на этом вопросы отнюдь не заканчиваются. Пока обсуждение эффекта антилинзирования еще далеко от завершения. В определении войдов постулировано отсутствие видимой материи. А если в них может содержаться невидимый газ или гипотетическая вездесущая темная материя? Следовательно, пока фактический антилинзирующий эффект может быть оценен лишь весьма приближенно.
Но все же теперь, когда мы узнали о самом факте антилинзирования, точность датировки и определения дальности удаленных галактик и звезд может заметно повыситься. Отдадим должное усилиям авторов, определившим эффект антилинзирования и сделавшим шаг в сторону повышения точности космологических параметров.
С космологической точки зрения Млечный путь можно уподобить неблагополучному пригороду. Вокруг него пустыри, пустота, а до ближайшего жилого квартала ехать и ехать.
Еще в 2013 году исследование, проведенное астрономом Эми Барджер из университета Висконсина-Мэдисона и ее тогда студентом Райаном Кинаном показало, что наша галактика в контексте масштабов Вселенной находится в огромной пустоте, то есть области космоса, где наблюдается гораздо меньше галактик, звезд и планет, чем ожидалось.
Теперь же еще одно исследование астронома Бена Хохзайтаиз университета Висконсина-Мэдисона, который также является учеником Барджер, не только поддерживает идею о том, что мы обитает в фактически дыре, зияющей в общей ткани космоса, которую можно уподобить сыру, но и помогает устранить давний спор о разных измерениях постоянной Хаббла, то есть единицы измерения, которой космологи описывают скорость расширения Вселенной.
Проблема с постоянной Хаббла заключаются, что, применяя различные техники с целью вычислить, насколько быстро расширяется Вселенная, астрофизики получают разные результаты. Но, если наша галактика существует в пустоте, то тогда все решается, так как в этом случае показатели постоянной Хаббла, замеренные с помощью ближайшей сверхновой, будут отличаться от тех, что получены с помощью техники, использующей реликтовое излучение. Если Млечный путь находится в пустоте, то за пределами ее материя оказывает более сильное притяжение, что и влияет на результаты.
Новое исследование – это часть более крупного проекта по лучшему пониманию крупномасштабной структуры Вселенной. Структура космоса похожа на сыр, в том смысле, что она состоит из «нормальной материи» в форме дыр и волокон. Волокна созданы из суперкластеров и кластеров галактик, те же в свою очередь состоят из звезд, газа, пыли и планет.
Наша галактика расположена в пустоте, или, если говорить астрономически, войде, известном как КБК-войд, названном по имени трех астрономов: Райана Кинана, Эми Барджер и Леннокса Коуи. Он в семь раз больше среднестатического войда, его радиус – около 1 миллиарда световых лет. На данный момент это самый больший войд, известный ученым. Исследование Хохзайта показало, что КБК-войд похож на сферу, чья поверхность состоит из галактик, звезд и другой материи.
Ученым предстоит еще многое узнать о природе войдов, их физических свойствах, составе и истории возникновения. Данные астрономические объекты Вселенной на сегодняшний день изучены мало. Но, кто знает, возможно, кто-то из вас, кто читает сейчас эту статью и интересуется этими образованиями колоссальных размеров, когда-нибудь внесёт свою маленькую или крупную лепту в изучения этих астрономических объектов.
| 
