Войти
Распределение материи в кубической части Вселенной. Голубые волокнистые структуры представляют материю (в основном темную материю), а пустые области между ними представляют космические пустоты. Космические пустоты - это огромные пространства между нитями (самые крупномасштабные структуры в вселенная ), которые содержат очень мало или не содержат галактик. Пустоты обычно имеют диаметр от 10 до 100 мегапарсек ; особенно большие пустоты, определяемые отсутствием богатых суперкластеров, иногда называют суперпустотами . У них менее одной десятой средней плотности содержания материи, которая считается типичной для наблюдаемой вселенной. Впервые они были обнаружены в 1978 году в ходе новаторского исследования Стивена Грегори и Лэрда А. Томпсона в Национальной обсерватории Китт-Пик.
Считается, что пустоты были образованы барионными акустическими колебаниями. в Большом взрыве, коллапс массы, за которым следует сжатие барионной материи. Начиная с изначально небольшой анизотропии из 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, чем пустоты, расположенные в пространствах Вселенной с низкой плотностью.
Похоже, пустоты коррелируют с наблюдаемой температурой космического микроволнового фона (CMB), потому что 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, наличие пустот имеет важное значение для предоставления физических доказательств существования темной энергии.
Карта галактических пустот Структура Вселенной может быть разбитым на компоненты, которые могут помочь описать характеристики отдельных регионов космоса. Это основные структурные компоненты космической паутины:
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 вещества, используемое для описания средней космической плотности, обычно основывается на соотношении количества галактик в единице объема, а не на общей массе вещества, содержащегося в единице объема.
Космические пустоты как тема изучения в астрофизике началась в середине 1970-х годов, когда обзоры красного смещения стали более популярными и возглавили две отдельные группы астрофизиков. в 1978 году для выявления сверхскоплений и пустот в распределении галактик и скоплений Абелла в большой области космоса. Новые обзоры красного смещения произвели революцию в области астрономии, добавив глубины двумерным картам космологической структуры, которые часто были плотно упакованы и перекрывались, что позволило создать первое трехмерное отображение Вселенной. В обзорах красного смещения глубина была рассчитана на основе отдельных красных смещений галактик из-за расширения Вселенной в соответствии с законом Хаббла.
Обобщенная временная шкала важных событий в области космических пустот от ее начала до недавнего времени приведена ниже:
Существует несколько способов поиска пустот по результатам крупномасштабных исследований Вселенной. Из множества различных алгоритмов практически все попадают в одну из трех общих категорий. Первый класс состоит из искателей пустоты, которые пытаются найти пустые области пространства на основе локальной плотности галактик. Второй класс - это те, которые пытаются найти пустоты с помощью геометрических структур в распределении темной материи, как предполагают галактики. Третий класс состоит из тех искателей, которые динамически идентифицируют структуры, используя гравитационно нестабильные точки в распределении темной материи. Три самых популярных метода изучения космических пустот перечислены ниже:
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. 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. 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 к каталогу, имели минимальный радиус 10 Мпк, чтобы гарантировать, что все идентифицированные пустоты не были случайно внесены в каталог из-за ошибок выборки.
Это конкретный алгоритм второго класса использует метод тесселяции Вороного и имитирует граничные частицы, чтобы классифицировать области на основе контрастной границы с высокой плотностью и очень низким смещением. 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. Поисковики пустоты, такие как VIDE, основаны на ZOBOV.
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. Тогда центры пустот считаются максимальным источником поля смещения, обозначенного 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 эллиптичность пустот и то, как они развиваются в крупномасштабной структуре, что впоследствии приводит 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 может быть точно откалибровано, 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 трудным сравнение всех точек данных между результатами различных алгоритмов.
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, найденных алгоритмом, затем проверяются путем размещения фиктивных данных с помощью моделирования сглаженных частиц гидродинамического гало, модели ΛCDM или другого надежного симулятора. Алгоритм гораздо более надежен, если его данные соответствуют результатам этих симуляций для ряда входных критериев (Pan et al. 2011).
Пустоты значительно способствовали современное понимание космоса с различными приложениями, от проливания света на текущее понимание темной энергии до уточнения и ограничения моделей космологической эволюции. Некоторые популярные приложения подробно описаны ниже.
Одновременное существование самых больших известных пустот и скоплений галактик требует около 70% темной энергии во Вселенной сегодня, что согласуется с последними данными о космическом микроволновом фоне. 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 использоваться для ограничения стандартной модели ΛCDM или для дальнейшего уточнения Квинтэссенции + Модель холодной темной материи (КХДМ) и обеспечивает более точное уравнение состояния темной энергии . Кроме того, обилие пустот - многообещающий способ ограничить уравнение состояния темной энергии.
Нейтрино из-за их очень малой массы и чрезвычайно слабого взаимодействия с другим веществом будут освобождать- поток в и из пустот, которые меньше, чем длина свободного пробега нейтрино. Это влияет на распределение пустот по размеру и глубине и, как ожидается, позволит в будущих астрономических исследованиях (например, спутник Евклид) измерить сумму масс всех видов нейтрино путем сравнения статистических свойств образцов пустот с теоретические предсказания.
Куб размером 43 × 43 × 43 мегапарсек показывает эволюцию крупномасштабной структуры в течение логарифмического периода, начиная с красного смещения 30 и заканчивается на красном смещении 0. Модель дает понять, как области с плотной материей сжимаются под действием коллективной гравитационной силы, одновременно помогая расширению космических пустот, когда материя бежит к стенкам и нитям. 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. В более локальном масштабе галактики, находящиеся в пустотах, имеют морфологические и спектральные свойства, отличные от галактик, расположенных в стенах. Одна из обнаруженных особенностей заключается в том, что пустоты содержат значительно более высокую долю галактик со вспышкой звездообразования молодых горячих звезд по сравнению с образцами галактик в стенах.
Пустоты открывают новые возможности. изучить силу межгалактических магнитных полей. Например, исследование 2015 года, основанное на отклонении гамма-излучения блазара, проходящего через пустоты, заключает, что межгалактическое пространство содержит магнитное поле силой не менее 10 G. Специфическая крупномасштабная магнитная структура Вселенной предполагает изначальный «магнитогенез», который, в свою очередь, мог играть роль в формировании магнитных полей внутри галактик, а также мог изменить оценки временной шкалы рекомбинации в
Холодные пятна в космическом микроволновом фоне, такие как холодное пятно WMAP, обнаруженное Микроволновый датчик анизотропии Уилкинсона, возможно, может быть объяснен чрезвычайно большой космической пустотой, имеющей радиус ~ 120 Мпк, если последний интегрированный эффект Сакса-Вульфа был учтен в возможном решении. Аномалии в экранировании реликтового излучения в настоящее время потенциально объясняются наличием больших пустот, расположенных на линии прямой видимости, в которой находятся холодные пятна.
экранирование реликтового излучения Вселенной. 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 такая уж и скрытая космическая пустота. Согласно этой теории, такая среда могла 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 реальное решение вместо текущей интерпретации ΛCDM, значительно уменьшились, но не отказались от всех вместе
Обилие пустот, особенно в сочетании с обилием скоплений галактик, является многообещающим методом для прецизионных испытаний отклонений от общей теории относительности в больших масштабах и в областях с низкой плотностью.
Внутренности пустот часто, кажется, придерживаются космологических параметров, которые отличаются от параметров известной вселенной. 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, при этом большинство структур внутри демонстрируют сферическую симметрию в разреженной среде; то есть пониженная плотность приводит к почти незначительным гравитационным взаимодействиям между частицами, которые в противном случае имели бы место в области нормальной галактической плотности. Тестирование моделей на пустоты может выполняться с очень высокой точностью. Космологические параметры, которые различаются в этих пустотах: Ω m, Ω Λ и H 0.
