Черные области во Вселенной

Сообщение об открытии огромной области, практически свободной от галактик, вызвало интерес даже у людей, далеких от астрономии. Было высказано мнение, что существование этих «черных областей» несовместимо с основным положением современной космологии — представлением об однородной Вселенной. Однако возможна иная трактовка обнаруженного феномена.

Пустоты в распределении галактик

Если с фотографий неба, полученных на крупном телескопе, мысленно убрать изображения звезд, то окажется, что небесная сфера более или менее равномерно заполнена галактиками. Конечно, в одних местах их плотность выше, в других — ниже, но галактики есть везде. Мы не увидим их лишь в узкой полосе Млечного Пути, где пыль, находящаяся в диске нашей Галактики, препятствует прохождению света от других «звездных островов», в существовании которых мы не сомневаемся. Однако такая картина распределения галактик окажется неполной. Ведь мы рассматриваем все галактики в проекции на небесную сферу. Чтобы получить правильное представление о пространственном, объемном распределении галактик, необходимо знать расстояния до них.

Еще недавно большинство астрономов считали, что и в пространстве галактики распределены довольно равномерно. Разумеется, мы наблюдаем и огромные галактические архипелаги — богатые скопления, где плотность галактик намного выше средней, и области, где плотность галактик ниже средней. Однако до недавнего времени думали, что не существует пустых областей, в которых галактик не просто мало, а нет вообще. Правда, такое представление основывалось лишь на статистической обработке поверхностной картины распределения галактик, требовавшей дополнительных предположений. Исключить большую часть этих предположений можно, если определить расстояния до галактик.

Измерение громадных расстояний, что отделяют нас от галактик,— нелегкая задача. Расстояние больше 10 Мпк можно определить только одним методом. Он основан на факте расширения Вселенной. Такое расширение еще в 20-е годы прошлого столетия было предсказано талантливым математиком А. А. Фриманом, а вскоре американский астроном Э. Хаббл подтвердил его результатами наблюдений.

Известно, что чем дальше находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Пользуясь этим правилом, названным законом Хаббла, можно по скорости удаления галактики оценить расстояние до нее. Несмотря на известные недостатки, этот метод нахождения расстояний пока остается наилучшим для подавляющего большинства галактик, за исключением нескольких десятков ближайших к нам звездных систем.

Для измерения скорости удаления галактики достаточно получить ее спектр. Однако световой поток, приходящий от далеких звездных систем, очень слаб, поэтому только на крупных телескопах с использованием чувствительных электронных приемников излучения можно получать необходимые спектры. К настоящему времени известны расстояния до нескольких тысяч галактик.

Чтобы открыть «черную область», нужно не просто получить спектры большого числа галактик, но при этом галактики должны находиться на одном участке неба, где и надлежит исследовать все объекты ярче заданной звездной величины. Большинство галактик не представляет самостоятельного интереса для астрономов, поэтому трудоемкое массовое измерение расстояний до этих «звездных островов» казалось пустой тратой времени. Наблюдатели предпочитали исследовать отдельные «нестандартные» объекты, а они расположены в пространстве более или менее случайно.

Американские астрономы Р. Киршнер, А. Омлер, П. Шехтер и С. Шектман определили расстояние до всех галактик ярче 17,3 звездной величины в трех участках (площадь каждого — 1,4 квадратных градуса) в созвездии Волопаса. Они как бы «взяли пробы» пространственной плотности галактик вдоль трех направлений. Оказалось, что во всех трех направлениях на расстоянии примерно от 240 до 360 Мпк (постоянная Хаббла принималась равной 50 км/с Мпк) находится всего одна галактика, в то время как при средней плотности их должно быть 25. И, наоборот, вблизи указанных пределов (240 и 360 Мпк) наблюдается избыточная плотность галактик. Итак, три луча как бы «проткнули» на своем пути грандиозную «черную область» в распределении галактик. Ее объем около 1 млн. кубических мегапарсек. Разумеется, и американские ученые этого не отрицают, пока еще рано делать окончательные выводы. Ведь может статься, сделай астрономы предельную звездную величину обзора меньше — и в этой области будут обнаружены слабые карликовые галактики… Пока же остановимся на имеющихся данных.

Надо сказать, для многих астрофизиков открытие «черной области» в распределении галактик не явилось неожиданностью. Первое сообщение о большой области в созвездии Персея, свободной от галактик, сделала в 1977 году группа эстонских астрономов под руководством Я. Э. Эйнасто. За год до этого численные эксперименты показали, что характерная пористая структура должна возникать на стадии образования первых объектов во Вселенной. За прошедшие с тех пор годы обнаружены пять «черных областей»

Происхождение «черных областей»

Чтобы объяснить как могут образовываться пустоты в структуре Метагалактики, напомним основные положения теории горячей Вселенной. Около 15 млрд. лет назад «Большой взрыв» дал начало расширению Метагалактики, которое продолжается до сих пор. На ранней стадии не было ни галактик, ни звезд; вещество, представлявшее смесь водорода и гелия, имело большую, чем теперь, среднюю плотность и почти однородное распределение в пространстве. Если бы вещество во Вселенной распределялось строго равномерно, то галактики и звезды не появились бы и до настоящего времени. Их рождение связано с малыми неоднородностями плотности, существовавшими на ранней стадии эволюции Вселенной.

С течением времени малые различия плотности возрастали под действием сил тяготения. Когда неоднородности достигли большой величины, начали формироваться первые объекты. Одни астрофизики (в том числе и авторы статьи) считают, что вначале образовались самые крупные объекты Вселенной — сверхскопления галактик, которые затем дробились на более мелкие: шаровые скопления звезд и галактики. Этот вариант эволюции известен как фрагментация. Другие утверждают, что первыми возникли шаровые скопления. Затем под действием сил тяготения шаровые скопления начали собираться в более крупные агрегаты — галактики, а те в свою очередь объединились в скопления и сверхскопления. Это — сценарий скучивания.

В сценарии фрагментации математическое описание процесса, в котором образовалась структура Вселенной, дал математик Я. Б. Зельдович. В течение следующих нескольких лет были выяснены закономерности формирования галактик, их скоплений, сверхскоплений. В середине 70-х годов возникла концепция пористой структуры Вселенной.

Согласно сценарию фрагментации, на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда неоднородности плотности были невелики, они представляли собой гладкие волны очень большой длины. По мере роста амплитуды под действием сил тяготения гребни волн стали круче и затем возникли первые объекты: плотные газовые диски — «блины». В них создавались благоприятные условия для рождения галактик и звезд. Напротив, в пространстве между «блинами» газ был настолько разрежен, что галактики здесь не могли возникнуть. Процесс конденсации в сильно разреженном газе требует времени большего, чем время жизни нашей Вселенной. Оставшийся между «блинами» газ был разогрет и ионизирован излучением «блинов» и молодых галактик. С течением времени «блины» увеличивались в размерах, пересекались, образуя пористую структуру. В областях пространства, которые служат стенками этой структуры, концентрация галактик высока, внутренние же полости заполнены разреженным газом и совсем не содержат галактик.

В сценарии скучивания на определенном этапе эволюции галактики почти равномерно заполняли пространство. Как и в варианте фрагментации, под действием сил тяготения галактики могут скапливаться вдоль определенных поверхностей и линий. По-видимому, хотя это не так очевидно, возможно даже появление пористой структуры. Но силы тяготения не способны полностью опустошить какие-то области, а только снижают в них общую плотность. Следовательно, в картине скучивания часть галактик неизбежно остается и между стенками пористой структуры.

Поперечник самой большой «черной области» по крайней мере, в 30 раз меньше расстояния до «горизонта» Вселенной. Из отношения объемов наблюдаемой Вселенной и отдельной «черной области» исследователи оценивают число таких областей в Метагалактике в несколько десятков тысяч. Значит, одно из основных положений современной космологии, утверждающее, что в больших масштабах Вселенная однородна, осталось непоколебленным. Дело в том, как это понимать. Например, кусок вулканической пемзы можно считать однородным, хотя он состоит из множества пузырьков воздуха, разделенных плотными перемычками. Говоря, что пемза однородна, мы подразумеваем примерную одинаковость двух любых образцов, размеры которых значительно превышают размеры пузырьков воздуха. Представим, что перемычки, разделяющие пузырьки воздуха, не сплошные, а состоят из множества частиц — галактик, и тогда получим наглядную модель структуры Вселенной. Она неоднородна в масштабах отдельных полостей, но в больших масштабах — однородна.

Открытие «черных областей» ставит новые задачи перед теоретиками и астрономами-наблюдателями. Прежде всего, необходимо убедиться, что внутри «черных областей» нет слабых галактик. Для этого нужно отодвинуть насколько возможно нижнюю границу светимости рассматриваемых звездных систем, то есть попытаться определить расстояния до все более и более слабых галактик.

В сценарии фрагментации галактики не могли образоваться в «черных областях», но могли в них попасть, если были выброшены из плотных областей. Число таких «пришельцев» невелико, но было бы весьма полезным научиться отличать их от «галактик-аборигенов». Теоретикам предстоит рассчитать возможное число «галактик-пришельцев», оценить расстояния, которые они способны преодолеть.

Возможны случаи, когда галактика лишь кажется расположенной в «черной области». Вспомним: астрономы измеряют скорость удаления галактик, а не их истинное положение в пространстве. Расстояние же вычисляется при дополнительном предположении, что галактика движется по закону Хаббла в однородной Вселенной. Если в результате взаимодействия со своими ближайшими соседями галактика приобрела некоторую дополнительную (как говорят астрономы, пекулярную) скорость, то галактика покажется нам расположенной ближе или дальше, чем на самом деле. Если компонента скорости, направленная вдоль луча зрения, составляет 1000 км/с, галактика сместится (удалится или приблизится) на 20 Мпк от истинного положения.

Следующая задача наблюдателей — обнаружить газ внутри «черных областей». Теоретики предсказывают, что это должен быть весьма разреженный, ионизированный газ, его плотность в несколько раз меньше средней плотности вещества во Вселенной, а температура достигает нескольких десятков тысяч градусов. В таком газе не должно быть химических элементов тяжелее водорода и гелия. Подобный состав газа характерен для догалактического вещества. В областях, где рождались галактики, химический состав вещества изменялся. Более тяжелые элементы — углерод, кремний, кислород и т. д.— синтезировались в недрах звезд и попадали в межгалактическое пространство при взрывах сверхновых. Если удастся обнаружить области с догалактическим химическим составом, будет получен сильный аргумент в пользу модели фрагментации при образовании структуры Вселенной.

В «черных областях» может присутствовать в небольших количествах и нейтральный водород. Его можно попытаться выявить по спектрам квазаров. Нейтральный водород поглощает излучение квазаров в линии Лайман-альфа. В сплошном газе, вовлеченном в космологическое расширение, эта линия превращается в широкую полосу. Такие полосы не наблюдаются, следовательно, приходится исключить наличие сколь-нибудь заметного количества нейтрального водорода, более или менее однородно заполняющего «черные области».

Нужно иметь в виду, что образование «блинов» — событие не единовременное. Наряду с самыми плотными из тех, которые первыми возникли в нейтральном газе, должны быть и «блины», формирующиеся в ионизированном газе. Первые «блины» своим собственным излучением, а также излучением молодых галактик и квазаров, образующихся в «блинах», нагревают и ионизируют газ, который еще не успел войти в «блины». Нагрев не может воспрепятствовать формированию новых «блинов», но способен предотвратить появление галактик и звезд. Другими словами, газ внутри «черных областей» может быть распределен неоднородно. Там, где общая плотность газа выше, должно быть больше атомов нейтрального водорода. Если такая неоднородность попадется на пути луча, идущего от квазара, то в его спектре возникнет линия поглощения Лайман-альфа. Сейчас накоплены данные, косвенно указывающие, что мы наблюдаем области с догалактическим химическим составом.

Спектры далеких квазаров испещрены линиями поглощения, многие из которых не удается приписать никакому другому элементу, кроме водорода. Так что же, обнаружены «блины», образовавшиеся в ионизированном газе? Окончательный ответ на этот вопрос дадут будущие исследования.

Автор: С. Ф. Шандарин.