Пустота (астрономия)

Распределение материи в кубическом сечении Вселенной. Синие волокнистые структуры представляют материю (в первую очередь темную материю), а пустые области между ними представляют космические пустоты.

Часть серии по
Физическая космология
Большой взрыв  · Вселенная Возраст вселенной Хронология Вселенной
Ранняя вселенная Эпоха Планка Эпоха великого объединения Электрослабая эпоха Кварковая эпоха Адронная эпоха Лептонная эпоха Фотонная эпоха Нуклеосинтез Большого взрыва Инфляция Темные времена Звездная эра Фоны Космический фоновый радиационный фон (CBR) Фон гравитационных волн (ФГВ) Космический микроволновый фон (CMB)  · Космический нейтринный фон (CNB) Космический инфракрасный фон (ИНБ)
Расширение  · Будущее Закон Хаббла  · Красное смещение Расширение Вселенной Ускоряющееся расширение Вселенной Сопутствующие и правильные расстояния Метрика FLRW  · Уравнения Фридмана Неоднородная космология Хронология далекого будущего Будущее расширяющейся Вселенной Конечная судьба вселенной Тепловая смерть вселенной Большой разрыв Большой хруст Большой отскок Распад ложного вакуума
Компоненты  · Структура Составные части Лямбда-CDM модель Барионная материя Экзотическая материя Вырожденная материя Нейтроний Вопрос КХД Странное дело Отрицательное вещество Энергия Отрицательная энергия Нулевая энергия Энергия вакуума Радиация Фоновое излучение Темная энергия Квинтэссенция Фантомная энергия Темная материя Холодная темная материя Теплая темная материя Смешанная темная материя Горячая темная материя Светлая темная материя Самовзаимодействующая темная материя Скалярное поле темная материя Темное излучение Темная жидкость Темный поток Зеркальное дело Структура Форма вселенной Реионизация  · Формирование структуры Формирование галактики Мультивселенная Вселенная Наблюдаемая Вселенная Объем Хаббла Крупномасштабная конструкция Большая группа квазаров Нить галактики Сверхскопление Скопление галактик Группа галактик Местная группа Галактика Ореол темной материи Звездное скопление Солнечная система Планетная система Пустота
Эксперименты Бумеранг Исследователь космического фона (COBE) Обзор темной энергии Евклид Проект Illustris Обсерватория Веры К. Рубин Космическая обсерватория Планка Слоан цифровой обзор неба (SDSS) Обзор красного смещения галактики 2dF ("2dF") ВселеннаяМашина Микроволновый датчик анизотропии Wilkinson (WMAP)
Ученые Ааронсон Альфвен Альфер Бхарадвадж Коперник де Ситтер Дике Эддингтон Элерс Эйнштейн Эллис Фридман Галилео Гамов Guth Хаббл Лемэтр Linde Mather Ньютон Penzias Вбивать в голову Шмидт Шварцшильд Гладкий Старобинский Steinhardt Suntzeff Сюняев Толман Уилсон Зельдович
История темы Открытие космического микроволнового фонового излучения История теории большого взрыва Религиозные интерпретации теории большого взрыва Хронология космологических теорий
Категория  Астрономический портал
v т е

Космические пустоты - это обширные пространства между волокнами (самые крупномасштабные структуры во Вселенной ), которые содержат очень мало или совсем не содержат галактик . Пустоты обычно имеют диаметр от 10 до 100 мегапарсек ; особенно большие пустоты, определяемые отсутствием богатых сверхскоплений , иногда называют суперпустотами . У них менее одной десятой средней плотности материи, которая считается типичной для наблюдаемой Вселенной . Впервые они были обнаружены в 1978 году в ходе новаторского исследования Стивена Грегори и Лэрда А. Томпсонов в Национальной обсерватории Китт-Пик .^[1]

Полагают, что пустоты образовались в результате барионных акустических колебаний во время Большого взрыва , коллапса массы, за которым последовали схлопывания сжатой барионной материи . Начиная с изначально небольшой анизотропии из-за квантовых флуктуаций в ранней Вселенной, анизотропия со временем увеличивалась в масштабе. Области с более высокой плотностью схлопывались быстрее под действием силы тяжести, что в конечном итоге привело к появлению крупномасштабной пенообразной структуры или «космической паутины» пустот и волокон галактик, наблюдаемой сегодня. Пустоты, расположенные в средах с высокой плотностью, меньше пустот, расположенных в пространствах с низкой плотностью Вселенной. ^[2]

Пустоты, по-видимому, коррелируют с наблюдаемой температурой космического микроволнового фона (CMB) из-за эффекта Сакса – Вульфа . Более холодные области коррелируют с пустотами, а более горячие области коррелируют с волокнами из-за гравитационного красного смещения . Поскольку эффект Сакса-Вульфа имеет значение только в том случае, если во Вселенной преобладает излучение или темная энергия , существование пустот имеет важное значение для предоставления физических доказательств наличия темной энергии. ^{[3] [4]}

Крупномасштабная структура [ править ]

Структуру Вселенной можно разбить на компоненты, которые могут помочь описать характеристики отдельных областей космоса. Это основные структурные компоненты космической паутины:

• Пустоты - обширные, в основном сферические ^[5] области с очень низкой средней космической плотностью, до 100 мегапарсек (Мпк) в диаметре. ^[6]
• Стены - области, которые содержат типичную космическую среднюю плотность содержания вещества. Стены можно разделить на две более мелкие структурные особенности:
  • Кластеры - зоны с высокой концентрацией, где стены встречаются и пересекаются, что увеличивает эффективный размер локальной стены.
  • Нити - ветви стен, которые могут растягиваться на десятки мегапарсеков. ^[7]

Пустоты имеют среднюю плотность менее одной десятой средней плотности Вселенной. Это служит рабочим определением, хотя единого согласованного определения того, что считать недействительным, не существует. Значение плотности материи, используемое для описания космической средней плотности, обычно основывается на соотношении количества галактик в единице объема, а не на общей массе вещества, содержащегося в единице объема. ^[8]

История и открытия [ править ]

Космические пустоты как тема изучения в астрофизике начались в середине 1970-х годов, когда обзоры красного смещения стали более популярными и привели две отдельные группы астрофизиков в 1978 году к идентификации сверхскоплений и пустот в распределении галактик и скоплений Абелла в большой области космоса. ^{[9] [10]} Новые обзоры красного смещения произвели революцию в области астрономии, добавив глубины к двумерным картам космологической структуры, которые часто были плотно упакованы и перекрывались, ^[6] что позволило создать первое трехмерное отображение Вселенной. . В обзорах красного смещения глубина рассчитывалась по отдельным красным смещениям галактик из-зарасширение Вселенной по закону Хаббла . ^[11]

Хронология [ править ]

Краткая хронология важных событий в области космических пустот от ее начала до недавнего времени приведена ниже:

• 1961 г. - вниманию астрономического сообщества были представлены крупномасштабные структурные особенности, такие как «скопления второго порядка», особый тип сверхскопления . ^[12]
• 1978 - Первые две статьи по теме пустот в крупномасштабной структуре были опубликованы со ссылкой на пустоты, обнаруженные на переднем плане скоплений Coma / A1367. ^{[9] [13]}
• 1981 - Открытие большой пустоты в Bootes области неба , которое было почти 50 ч ^-1 Мпк в диаметре (который был позже пересчитан составляет около 34 ч ^-1 Мпк). ^{[14] [15]} Здесь h - безразмерный параметр Хаббла , приблизительно 0,7.
• 1983 - Компьютерное моделирование, достаточно сложное, чтобы обеспечить относительно надежные результаты роста и эволюции крупномасштабной структуры, появилось и позволило понять ключевые особенности крупномасштабного распределения галактик. ^{[16] [17]}
• 1985 - Были изучены детали сверхскопления и пустотной структуры области Персей-Рыбы . ^[18]
• 1989 - Центр астрофизики по обзору красного смещения выявил, что большие пустоты, острые нити и стены, которые их окружают, доминируют в крупномасштабной структуре Вселенной. ^[19]
• 1991 - Обзор красного смещения в Лас-Кампанас подтвердил обилие пустот в крупномасштабной структуре Вселенной (Киршнер и др., 1991). ^[20]
• 1995 - Сравнение оптически выбранных обзоров галактик показывает, что одни и те же пустоты обнаруживаются независимо от выборки. ^[21]
• 2001 - Завершенное двухградусное полевое исследование красного смещения галактики добавляет значительное количество пустот в базу данных всех известных космических пустот. ^[22]
• 2009 г. - данные Sloan Digital Sky Survey (SDSS) в сочетании с предыдущими крупномасштабными обзорами теперь дают наиболее полное представление о детальной структуре космических пустот. ^{[23] [24] [25]}

Способы поиска [ править ]

Существует несколько способов найти пустоты по результатам крупномасштабных исследований Вселенной. Из множества различных алгоритмов практически все попадают в одну из трех общих категорий. ^[26] Первый класс состоит из искателей пустот, которые пытаются найти пустые области пространства на основе локальной плотности галактик. ^[27] Второй класс - это те, которые пытаются найти пустоты с помощью геометрических структур в распределении темной материи, как предполагают галактики. ^[28] Третий класс состоит из тех, кто ищет структуры, динамически идентифицируя структуры, используя гравитационно нестабильные точки в распределении темной материи. ^[29] Три самых популярных метода изучения космических пустот перечислены ниже:

Алгоритм VoidFinder [ править ]

Этот первоклассный метод использует каждую галактику в каталоге в качестве цели, а затем использует приближение ближайшего соседа для вычисления космической плотности в области, содержащейся в сферическом радиусе, определяемом расстоянием до третьей ближайшей галактики. ^[30] Эль Ад и Пиран представили этот метод в 1997 году, чтобы обеспечить быстрый и эффективный метод стандартизации каталогизации пустот. После того, как сферические ячейки извлечены из всех данных структуры, каждая ячейка расширяется до тех пор, пока пониженная плотность не вернется к средним ожидаемым значениям плотности стенок. ^[31]Одна из полезных особенностей пустотных областей заключается в том, что их границы очень четкие и четкие, со средней космической плотностью, которая начинается с 10% в теле и быстро повышается до 20% на краю, а затем до 100% в стенах непосредственно снаружи. края. Оставшиеся стенки и перекрывающиеся пустотные области затем объединяются в сетку, соответственно, в отдельные и переплетающиеся зоны нитей, кластеров и почти пустых пустот. Любое перекрытие более чем на 10% с уже известными пустотами считается подобластями внутри этих известных пустот. Все пустоты, допущенные в каталог, имели минимальный радиус 10 Мпк, чтобы гарантировать, что все идентифицированные пустоты не были случайно внесены в каталог из-за ошибок выборки. ^[30]

Зона, граничащая с алгоритмом пустотности (ZOBOV) [ править ]

В этом конкретном алгоритме второго класса используется метод тесселяции Вороного и имитация граничных частиц, чтобы классифицировать области на основе контрастной границы с высокой плотностью и очень низким смещением. ^[32]Нейринк представил этот алгоритм в 2008 году с целью введения метода, который не содержал свободных параметров или предполагаемых мозаичных форм. Следовательно, этот метод может создавать пустые области более точной формы и размера. Хотя этот алгоритм имеет некоторые преимущества по форме и размеру, его часто критикуют за то, что он иногда дает неточно определенные результаты. Поскольку у него нет свободных параметров, он в основном находит небольшие и тривиальные пустоты, хотя алгоритм придает статистическую значимость каждой найденной пустоте. Параметр физической значимости может применяться для уменьшения количества тривиальных пустот путем включения отношения минимальной плотности к средней плотности не менее 1: 5. Субполости также идентифицируются с помощью этого процесса, который поднимает больше философских вопросов о том, что квалифицируется как пустота. ^[33]Поисковики пустоты, такие как VIDE ^[34] , основаны на ZOBOV.

Алгоритм динамического анализа пустот (DIVA) [ править ]

Этот метод третьего класса кардинально отличается от двух предыдущих перечисленных алгоритмов. Самый поразительный аспект состоит в том, что он требует другого определения того, что значит быть пустотой. Вместо общего представления о том, что пустота - это область пространства с низкой средней космической плотностью; дыра в распределении галактик, она определяет пустоты как области, в которые уходит материя; что соответствует уравнению состояния темной энергии w . В этом случае центры пустот считаются максимальным источником поля смещения, обозначаемого как S _ψ. Цель этого изменения в определениях была представлена ​​Лаво и Вандельтом в 2009 году как способ получения космических пустот, позволяющих проводить точные аналитические расчеты их динамических и геометрических свойств. Это позволяет DIVA тщательно исследовать эллиптичностьпустот и как они развиваются в крупномасштабной структуре, что впоследствии привело к классификации трех различных типов пустот. Эти три морфологических класса - истинные пустоты, пустоты блинов и пустоты филамента. Еще одно примечательное качество заключается в том, что даже несмотря на то, что DIVA также содержит смещение функции выбора, как и первоклассные методы, DIVA разработана таким образом, что это смещение можно точно откалибровать, что приводит к гораздо более надежным результатам. В этом гибридном подходе Лагранжа-Эйлера существует множество недостатков. Одним из примеров является то, что результирующие пустоты от этого метода по своей сути отличаются от пустот, обнаруженных другими методами, что делает очень сложным сравнение всех точек данных, включающее результаты различных алгоритмов. ^[26]

Тестирование на устойчивость [ править ]

После того, как представлен алгоритм для поиска того, что он считает космическими пустотами, очень важно, чтобы его результаты приблизительно соответствовали тому, что ожидается от текущих симуляций и моделей крупномасштабной структуры. Чтобы выполнить это, количество, размер и пропорция, а также другие особенности пустот, обнаруженных алгоритмом, затем проверяются путем размещения фиктивных данных с помощью моделирования сглаженных частиц гидродинамического ореола, модели Λ CDM или другого надежного симулятора. Алгоритм является гораздо более надежным, если его данные соответствуют результатам этого моделирования для ряда входных критериев (Pan et al. 2011). ^[35]

Значение [ править ]

Пустоты внесли значительный вклад в современное понимание космоса с различными приложениями, от проливания света на текущее понимание темной энергии до уточнения и ограничения моделей космологической эволюции . ^[4] Некоторые популярные приложения подробно описаны ниже.

Темная энергия [ править ]

Одновременное существование самых больших из известных пустот и скоплений галактик требует сегодня около 70% темной энергии во Вселенной, что согласуется с последними данными о космическом микроволновом фоне. ^[4] Пустоты действуют как пузыри во Вселенной, чувствительные к фоновым космологическим изменениям. Это означает, что эволюция формы пустоты частично является результатом расширения Вселенной. Поскольку считается, что это ускорение вызвано темной энергией, изучение изменений формы пустоты в течение определенного периода времени может быть использовано для ограничения стандартной модели Λ CDM ^{[36] [37]} или дальнейшего уточнения модели Квинтэссенция + Холодная темная материя. ( QCDM ) и обеспечивают более точную темную энергиюуравнение состояния . ^[38] Кроме того, обилие пустот - многообещающий способ ограничить уравнение состояния темной энергии. ^{[39] [40]}

Нейтрино [ править ]

Нейтрино, из-за их очень малой массы и чрезвычайно слабого взаимодействия с другим веществом, будут свободно течь в пустотах, которые меньше длины свободного пробега нейтрино. Это влияет на размер и распределение пустот по глубине и, как ожидается, позволит в будущих астрономических исследованиях (например, спутник Евклид) измерить сумму масс всех типов нейтрино путем сравнения статистических свойств образцов пустот с теоретические предсказания. ^[40]

Модели образования и эволюции галактик [ править ]

Космические пустоты содержат смесь галактик и материи, которая немного отличается от других регионов Вселенной. Это уникальное сочетание подтверждает смещенную картину образования галактик, предсказанную гауссовыми моделями адиабатической холодной темной материи. Это явление дает возможность изменить корреляцию морфология-плотность, которая содержит расхождения с этими пустотами. Такие наблюдения, как корреляция морфологии и плотности, могут помочь раскрыть новые аспекты того, как галактики образуются и развиваются в больших масштабах. ^[41] В более локальном масштабе галактики, находящиеся в пустотах, имеют различные морфологические и спектральные свойства, чем галактики, расположенные в стенах. Одна из обнаруженных особенностей заключается в том, что пустоты содержат значительно большую долю галактик со вспышками звездообразования.молодых горячих звезд по сравнению с образцами галактик в стенах. ^[42]

Пустоты дают возможность изучить силу межгалактических магнитных полей. Например, исследование 2015 года, основанное на отклонении гамма-излучения блазаров , проходящих через пустоты, заключает, что межгалактическое пространство содержит магнитное поле силой не менее ^10-17 Гс . Специфическая крупномасштабная магнитная структура Вселенной предполагает изначальный «магнитогенез», который, в свою очередь, мог сыграть роль в формировании магнитных полей внутри галактик, а также изменить оценки временной шкалы рекомбинации в ранней Вселенной. ^{[43] [44]}

Аномалии в анизотропии [ править ]

Холодные пятна в космическом микроволновом фоне , такие как холодное пятно WMAP, обнаруженное зондом микроволновой анизотропии Уилкинсона , возможно, могут быть объяснены чрезвычайно большой космической пустотой с радиусом ~ 120 Мпк при условии, что последний интегрированный эффект Сакса-Вульфа учтено в возможном решении. Аномалии в экранировании реликтового излучения в настоящее время потенциально объясняются наличием больших пустот, расположенных на линии прямой видимости, в которой лежат холодные пятна. ^[45]

Ускоряющееся расширение Вселенной [ править ]

Хотя темная энергия в настоящее время является наиболее популярным объяснением ускорения расширения Вселенной , другая теория развивает возможность того, что наша Галактика является частью очень большой, не очень плотной космической пустоты. Согласно этой теории, такая среда может наивно привести к спросу на темную энергию для решения проблемы с наблюдаемым ускорением. По мере того, как было выпущено больше данных по этой теме, шансы на то, что это реалистичное решение вместо текущей интерпретации Λ CDM , значительно уменьшились, но не полностью отказались. ^[46]

Гравитационные теории [ править ]

Обилие пустот, особенно в сочетании с обилием скоплений галактик, является многообещающим методом для прецизионных проверок отклонений от общей теории относительности на больших масштабах и в областях с низкой плотностью. ^{[47] [48]}

Внутренности пустот часто, кажется, придерживаются космологических параметров, которые отличаются от параметров известной вселенной ^{[ необходима цитата ]}. Именно из-за этой уникальной особенности космические пустоты являются отличными лабораториями для изучения эффектов, которые гравитационная кластеризация и скорость роста оказывают на локальные галактики и структуру, когда космологические параметры имеют разные значения от внешней вселенной. Из-за наблюдения, что более крупные пустоты преимущественно остаются в линейном режиме, причем большинство структур внутри демонстрируют сферическую симметрию в разреженной среде; то есть пониженная плотность приводит к почти несущественным гравитационным взаимодействиям между частицами, которые в противном случае имели бы место в области нормальной галактической плотности. Тестирование моделей на пустоты может быть выполнено с очень высокой точностью. Космологические параметры, которые различаются в этих пустотах, - это Ω _m , Ω _Λ и H ₀ .^[49]

См. Также [ править ]

• Список пустот
• Наблюдаемая Вселенная
• Boötes void
• KBC Void
• Галактика

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Cosmicvoids.net
• Анимированные виды пустот и их распределение от Хьюма Фельдмана с Сергеем Шандариным, кафедра физики и астрономии, Канзасский университет, Лоуренс, Канзас, США.
• Визуализация близлежащих крупномасштабных построек Файрол, AP, Paverd, WR, и Эшли, RP
• Иерархическая структура и динамика пустот arXiv: 1203.0248