Чорні області у Всесвіті

Повідомлення про відкриття величезної області, практично вільної від галактик, викликало інтерес навіть у людей, далеких від астрономії. Було висловлено думку, що існування цих «чорних областей» несумісне з основним положенням сучасної космології — уявленням про однорідний Всесвіт. Однак можливе інше трактування виявленого феномена.

Порожнечі в розподілі галактик

Якщо з фотографій неба, отриманих на великому телескопі, подумки прибрати зображення зірок, то виявиться, що небесна сфера більш-менш рівномірно заповнена галактиками. Звичайно, в одних місцях їх щільність вище, в інших — нижче, але галактики є скрізь. Ми не побачимо їх лише у вузькій смузі Чумацького Шляху, де пил, що знаходиться в диску нашої Галактики, перешкоджає проходженню світла від інших «зоряних островів», в існуванні яких ми не сумніваємося. Однак така картина розподілу галактик виявиться неповною. Адже ми розглядаємо всі галактики в проекції на небесну сферу. Щоб отримати правильне уявлення про просторовий, об’ємний розподіл галактик, необхідно знати відстані до них.

Ще недавно більшість астрономів вважали, що і в просторі галактики розподілені досить рівномірно. Зрозуміло, ми спостерігаємо і величезні галактичні архіпелаги – багаті скупчення, де щільність галактик набагато вище середньої, і області, де щільність галактик нижче середньої. Однак до недавнього часу думали, що не існує порожніх областей, в яких галактик не просто мало, а немає взагалі. Правда, таке уявлення ґрунтувалося лише на статистичній обробці поверхневої картини розподілу галактик, що вимагала додаткових припущень. Виключити більшу частину цих припущень можна, якщо визначити відстані до галактик.

Вимірювання величезних відстаней, що відокремлюють нас від галактик — нелегке завдання. Відстань більше 10 Мпк можна визначити тільки одним методом. Він заснований на факті розширення Всесвіту. Таке розширення ще в 20-і роки минулого століття було передбачене талановитим математиком А. А. Фріманом, а незабаром американський астроном Е. Хаббл підтвердив його результатами спостережень.

Відомо, що чим далі знаходиться галактика, тим з більшою швидкістю вона віддаляється. Користуючись цим правилом, названим законом Хаббла, можна за швидкістю віддалення галактики оцінити відстань до неї. Незважаючи на відомі недоліки, цей метод знаходження відстаней поки залишається найкращим для переважної більшості галактик, за винятком декількох десятків найближчих до нас зоряних систем.

Для вимірювання швидкості віддалення галактики досить отримати її спектр. Однак світловий потік, що приходить від далеких зоряних систем, дуже слабкий, тому тільки на великих телескопах з використанням чутливих електронних приймачів випромінювання можна отримувати необхідні спектри. До теперішнього часу відомі відстані до декількох тисяч галактик.

Щоб відкрити «чорну область», потрібно не просто отримати спектри великого числа галактик, але при цьому галактики повинні знаходитися на одній ділянці неба, де і належить досліджувати всі об’єкти яскравіше заданої зоряної величини. Більшість галактик не представляє самостійного інтересу для астрономів, тому трудомістке масове вимірювання відстаней до цих «зоряних островів» здавалося марною тратою часу. Спостерігачі воліли досліджувати окремі «нестандартні» об’єкти, а вони розташовані в просторі більш-менш випадково.

Американські астрономи Р. Кіршнер, А. Омлер, П. Шехтер і С. Шектман визначили відстань до всіх галактик яскравіше 17,3 зоряної величини в трьох ділянках (площа кожної — 1,4 квадратних градуса) в сузір’ї Волопаса. Вони як би «взяли проби» просторової щільності галактик уздовж трьох напрямків. Виявилося, що у всіх трьох напрямках на відстані приблизно від 240 до 360 Мпк (постійна Хаббла приймалася рівною 50 км/с Мпк) знаходиться всього одна галактика, в той час як при середній щільності їх повинно бути 25. І, навпаки, поблизу зазначених меж (240 і 360 Мпк) спостерігається надлишкова щільність галактик. Отже, три променя як би «проткнули» на своєму шляху грандіозну «чорну область» в розподілі галактик. Її обсяг близько 1 млн. кубічних мегапарсек. Зрозуміло, і американські вчені цього не заперечують, поки ще рано робити остаточні висновки. Адже може статися, зроби астрономи граничну зоряну величину огляду менше – і в цій області будуть виявлені слабкі карликові галактики… Поки ж зупинимося на наявних даних.

Треба сказати, для багатьох астрофізиків відкриття «чорної області» в розподілі галактик не стало несподіванкою. Перше повідомлення про велику область в сузір’ї Персея, вільної від галактик, зробила в 1977 році група естонських астрономів під керівництвом Я. Е. Ейнасто. За рік до цього чисельні експерименти показали, що характерна пориста структура повинна виникати на стадії утворення перших об’єктів у Всесвіті. За минулі відтоді роки виявлено п’ять «чорних областей».

Походження «чорних областей»

Щоб пояснити, як можуть утворюватися порожнечі в структурі Метагалактики, нагадаємо основні положення теорії гарячого Всесвіту. Близько 15 млрд. років тому «Великий вибух» дав початок розширенню Метагалактики, яке триває досі. На ранній стадії не було ні галактик, ні зірок; речовина, що представляла суміш водню і гелію, мала більшу, ніж тепер, середню щільність і майже однорідний розподіл в просторі. Якби речовина у Всесвіті розподілялася строго рівномірно, то галактики і зірки не з’явилися б і до теперішнього часу. Їх народження пов’язане з малими неоднорідностями щільності, що існували на ранній стадії еволюції Всесвіту.

З плином часу малі відмінності щільності зростали під дією сил тяжіння. Коли неоднорідності досягли великої величини, почали формуватися перші об’єкти. Одні астрофізики (в тому числі і автори статті) вважають, що спочатку утворилися найбільші об’єкти Всесвіту — надскупчення галактик, які потім дробилися на більш дрібні: кульові скупчення зірок і галактики. Цей варіант еволюції відомий як фрагментація. Інші стверджують, що першими виникли кульові скупчення. Потім під дією сил тяжіння кульові скупчення почали збиратися в більші агрегати — галактики, а ті в свою чергу об’єдналися в скупчення і надскупчення. Це – сценарій скучування.

У сценарії фрагментації математичний опис процесу, в якому утворилася структура Всесвіту, дав математик Я. Б. Зельдович. Протягом наступних кількох років були з’ясовані закономірності формування галактик, їх скупчень, надскупчень. У середині 70-х років виникла концепція пористої структури Всесвіту.

Згідно зі сценарієм фрагментації, на ранніх стадіях еволюції Всесвіту, коли щільності неоднорідності були невеликі, вони представляли собою гладкі хвилі дуже великої довжини. У міру зростання амплітуди під дією сил тяжіння гребені хвиль стали крутіше і потім виникли перші об’єкти: щільні газові диски — «млинці». У них створювалися сприятливі умови для народження галактик і зірок. Навпаки, в просторі між «млинцями» газ був настільки розріджений, що галактики тут не могли виникнути. Процес конденсації в сильно розрідженому газі вимагає часу більшого, ніж час життя нашого Всесвіту. Газ, що залишився між «млинцями» був розігрітий та іонізований випромінюванням «млинців» і молодих галактик. З плином часу «млинці» збільшувалися в розмірах, перетиналися, утворюючи пористу структуру. В областях простору, які служать стінками цієї структури, концентрація галактик висока, внутрішні ж порожнини заповнені розрідженим газом і зовсім не містять галактик.

У сценарії скучування на певному етапі еволюції галактики майже рівномірно заповнювали простір. Як і у варіанті фрагментації, під дією сил тяжіння галактики можуть накопичуватися уздовж певних поверхонь і ліній. Мабуть, хоча це не так очевидно, можлива навіть поява пористої структури. Але сили тяжіння не здатні повністю спустошити якісь області, а тільки знижують в них загальну щільність. Отже, в картині скупчування частина галактик неминуче залишається і між стінками пористої структури.

Поперечник найбільшої «чорної області» принаймні, в 30 разів менше відстані до «горизонту» Всесвіту. З відношення обсягів спостережуваного Всесвіту і окремої «чорної області» дослідники оцінюють число таких областей в Метагалактиці в кілька десятків тисяч. Значить, одне з основних положень сучасної космології, яке стверджує, що у великих масштабах Всесвіт однорідний, залишилося непохитним. Справа в тому, як це розуміти. Наприклад, шматок вулканічної пемзи можна вважати однорідним, хоча він складається з безлічі бульбашок повітря, розділених щільними перемичками. Говорячи, що пемза однорідна, ми маємо на увазі приблизну однаковість двох будь-яких зразків, розміри яких значно перевищують розміри бульбашок повітря. Уявімо, що перемички, що розділяють бульбашки повітря, не суцільні, а складаються з безлічі частинок — галактик, і тоді отримаємо наочну модель структури Всесвіту. Вона неоднорідна в масштабах окремих порожнин, але у великих масштабах — однорідна.

Відкриття «чорних областей» ставить нові завдання перед теоретиками і астрономами-спостерігачами. Перш за все, необхідно переконатися, що всередині «чорних областей» немає слабких галактик. Для цього потрібно відсунути наскільки можливо нижню межу світності розглянутих зоряних систем, тобто спробувати визначити відстані до все більш і більш слабких галактик.

У сценарії фрагментації галактики не могли утворитися в «чорних областях», але могли в них потрапити, якщо були викинуті з щільних областей. Число таких «прибульців» невелике, але було б дуже корисним навчитися відрізняти їх від «галактик-аборигенів». Теоретикам належить розрахувати можливе число «галактик-прибульців», оцінити відстані, які вони здатні подолати.

Можливі випадки, коли галактика лише здається розташованою в «чорній області». Згадаймо: астрономи вимірюють швидкість віддалення галактик, а не їх справжнє положення в просторі. Відстань же обчислюється при додатковому припущенні, що галактика рухається за законом Хаббла в однорідному Всесвіті. Якщо в результаті взаємодії зі своїми найближчими сусідами галактика придбала деяку додаткову (як кажуть астрономи, пекулярну) швидкість, то галактика здасться нам розташованою ближче або далі, ніж насправді. Якщо компонента швидкості, спрямована вздовж променя зору, становить 1000 км/с, галактика зміститься (віддалиться або наблизиться) на 20 Мпк від істинного положення.

Наступне завдання спостерігачів – виявити газ всередині «чорних областей». Теоретики передбачають, що це повинен бути дуже розріджений, іонізований газ, його щільність в кілька разів менше середньої щільності речовини у Всесвіті, а температура досягає декількох десятків тисяч градусів. У такому газі не повинно бути хімічних елементів важче водню і гелію. Подібний склад газу характерний для догалактичної речовини. В областях, де народжувалися галактики, хімічний склад речовини змінювався. Більш важкі елементи – вуглець, кремній, кисень і т. д., синтезувалися в надрах зірок і потрапляли в міжгалактичний простір при вибухах наднових. Якщо вдасться виявити області з догалактичним хімічним складом, буде отриманий сильний аргумент на користь моделі фрагментації при утворенні структури Всесвіту.

У «чорних областях» може бути присутнім в невеликих кількостях і нейтральний водень. Його можна спробувати виявити за спектрами квазарів. Нейтральний водень поглинає випромінювання квазарів в лінії лайман-альфа. У суцільному газі, залученому в космологічне розширення, ця лінія перетворюється на широку смугу. Такі смуги не спостерігаються, отже, доводиться виключити наявність скільки-небудь помітної кількості нейтрального водню, що більш-менш однорідно заповнює «чорні області».

Потрібно мати на увазі, що утворення «млинців» — подія не одноразова. Поряд з найщільнішими з тих, які першими виникли в нейтральному газі, повинні бути і «млинці», що формуються в іонізованому газі. Перші «млинці» своїм власним випромінюванням, а також випромінюванням молодих галактик і квазарів, що утворюються в «млинцях», нагрівають та іонізують газ, який ще не встиг увійти в «млинці». Нагрівання не може перешкодити формуванню нових «млинців», але здатне запобігти появі галактик і зірок. Іншими словами, газ всередині «чорних областей» може бути розподілений неоднорідно. Там, де загальна щільність газу вище, має бути більше атомів нейтрального водню. Якщо така неоднорідність попадеться на шляху променя, що йде від квазара, то в його спектрі виникне лінія поглинання Лайман-альфа. Зараз накопичені дані, побічно вказують, що ми спостерігаємо області з догалактичним хімічним складом.

Спектри далеких квазарів поцятковані лініями поглинання, багато з яких не вдається приписати ніякому іншому елементу, крім водню. Так що ж, виявлені «млинці», що утворилися в іонізованому газі? Остаточну відповідь на це питання дадуть майбутні дослідження.

Автор: С. Ф. Шандарин.