Наша Вселенная наполнена галактиками во всех направлениях, насколько позволяют видеть наши инструменты. Некоторые исследователи считают, что в наблюдаемой Вселенной насчитывается до 2 триллионов галактик.
На первый взгляд может показаться, что галактики разбросаны по космосу хаотично, но это не так. Тщательное картографирование показало, что они распределены по поверхностям гигантских космических «пузырей» размером до нескольких сотен миллионов световых лет. Внутри этих пузырей галактик мало, поэтому эти области называются космическими пустотами.
Космический телескоп NASA имени Нэнси Грейс Роман позволит нам измерить эти пустоты с новой точностью, что расскажет нам об истории расширения Вселенной.
«Способность Романа наблюдать обширные участки неба на большую глубину, обнаруживая множество слабых и далёких галактик, произведёт революцию в изучении космических пустот», — сказал Джованни Верза из Института Флэтiron и Нью-Йоркского университета, ведущий автор статьи, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal.
Компоненты космоса
Космос состоит из трёх ключевых компонентов: обычной материи, тёмной материи и тёмной энергии. Гравитация обычной и тёмной материи пытается замедлить расширение Вселенной, в то время как тёмная энергия противодействует гравитации, ускоряя расширение Вселенной. Природа тёмной материи и тёмной энергии в настоящее время неизвестна.
Учёные пытаются понять их, изучая их влияние на то, что мы можем наблюдать, например, на распределение галактик в пространстве.
«Поскольку в пустотах относительно мало материи, они являются областями пространства, в которых доминирует тёмная энергия», — сказала соавтор Алиса Пизани из Французского национального центра научных исследований (CNRS) во Франции и Принстонского университета в Нью-Джерси.
Изучение космических пустот
Чтобы определить, как Роман может изучать пустоты, исследователи рассмотрели один из потенциальных проектов «Обзора высоких широт и обширных областей Романа», одного из трёх основных общественных обзоров, которые будет проводить Роман.
Обзор высоких широт и обширных областей будет направлен в сторону от плоскости нашей галактики (отсюда термин «высокие широты» в галактических координатах). Команда обнаружила, что этот обзор должен будет обнаружить и измерить десятки тысяч космических пустот, некоторые из которых имеют размер всего 20 миллионов световых лет. Такое большое количество пустот позволит учёным использовать статистические методы для определения того, как их наблюдаемые формы зависят от ключевых компонентов Вселенной.
Для определения реальных трёхмерных форм пустот астрономы будут использовать два типа данных от Романа: положения галактик на небе и их космологическое красное смещение, последнее из которых определяется с помощью спектроскопических данных. Чтобы преобразовать красное смещение в физическое расстояние, астрономы делают предположения о компонентах Вселенной, включая силу тёмной энергии и то, как она могла эволюционировать с течением времени.
Пизани сравнила это с попыткой вывести рецепт торта (то есть состав Вселенной) по конечному десерту, который вам подали. «Вы пытаетесь положить правильные ингредиенты — нужное количество материи, нужное количество тёмной энергии — а затем проверяете, выглядит ли ваш торт так, как должен. Если нет, значит, вы положили неправильные ингредиенты».
В этом случае внешний вид «торта» — это форма, полученная путём статистического наложения всех пустот, обнаруженных Романом, друг на друга. В среднем пустоты имеют сферическую форму, потому что в Вселенной нет «предпочтительного» местоположения или направления (то есть Вселенная является однородной и изотропной в больших масштабах). Это означает, что, если наложение выполнено правильно, результирующая форма будет идеально круглой (или сферически симметричной). Если нет, то вам придётся скорректировать свой космический рецепт.
Исследователи подчеркнули, что для изучения космических пустот в больших количествах обсерватория должна быть способна исследовать большой объём Вселенной, поскольку сами пустоты могут достигать десятков или сотен миллионов световых лет в поперечнике. Спектроскопические данные, необходимые для изучения пустот, будут получены из части Обзора высоких широт и обширных областей Романа, которая охватит порядка 2 400 квадратных градусов неба, или 12 000 полных лун.
«Пустоты определяются тем, что в них мало галактик. Поэтому для обнаружения пустот нужно иметь возможность наблюдать галактики, которые довольно редки и слабы. С Романом мы сможем лучше рассмотреть галактики, населяющие пустоты, что в конечном итоге даст нам лучшее понимание космологических параметров, таких как тёмная энергия, которая формирует пустоты», — сказала соавтор Джулия Дегни из Университета Рома Тре и Национального института ядерной физики (INFN) в Риме.