Kaip galaktikos telkiasi milžiniškose struktūrose, kurias formuoja tamsioji medžiaga ir pirminės fluktuacijos
Daugiau Nei Pavienės Galaktikos
Mūsų Paukščių Takas yra tik viena iš milijardų galaktikų. Tačiau galaktikos neskrajoja atsitiktinai: jos telkiasi į superspiečius, gijas ir lakštus, atskirtus didžiulėmis tuštumomis, kuriose beveik nėra šviečiančios materijos. Visos šios stambaus mastelio struktūros sudaro tinklą, nusidriekusį šimtų milijonų šviesmečių mastu, dažnai vadinamą „kosminiu tinklu“. Šis sudėtingas tinklas susiformuoja pirmiausia dėl tamsiosios medžiagos karkaso, kurio gravitacinė trauka organizuoja tiek tamsiąją, tiek barioninę materiją į kosminius „kelius“ ir tuštumas.
Tamsiosios medžiagos pasiskirstymas, nulemtas ankstyvosios Visatos prigimtinių fluktuacijų (sustiprintų kosminės plėtros ir gravitacinio nestabilumo), sukuria galaktikų halų užuomazgas. Šiuose haluose vėliau formuojasi galaktikos. Stebimos šios struktūros ir jų palyginimas su teorinėmis simuliacijomis tapo pagrindiniu modernios kosmologijos ramsčiu, patvirtinančiu ΛCDM modelį didžiausiais mastais. Žemiau apžvelgiama, kaip šios struktūros buvo atrastos, kaip jos vystosi ir kokie dabartiniai tyrimų horizontai siekiant išsamiau suprasti kosminį tinklą.
2. Istorinė Raida ir Stebėjimų Apžvalgos
2.1 Ankstyvieji Sankaupų Ženklai
Pirmosios galaktikų lentelės (pavyzdžiui, Shapley stebėjimai apie gausius spiečius 4-ajame dešimtmetyje, vėlesnės poslinkio (redshift) apžvalgos, tokios kaip CfA Survey 8–9-ajame dešimtmetyje) parodė, kad galaktikos išties telkiasi į didelius darinius, gerokai didesnius nei atskiri spiečiai ar grupės. Superspiečiai, tokie kaip Koma superspiečius (Coma Supercluster), leido įtarti, jog artimoji Visata turi gijinį išsidėstymą.
2.2 Poslinkio (Redshift) Apžvalgos: 2dF ir SDSS Pradininkai
2dF Galaxy Redshift Survey (2dFGRS) ir vėliau Sloan Digital Sky Survey (SDSS) reikšmingai praplėtė galaktikų žemėlapius iki šimtų tūkstančių, o vėliau – milijonų objektų. Jų trimatiai žemėlapiai aiškiai parodė kosminį tinklą: ilgas gijas iš galaktikų, didžiules tuštumas, kuriose galaktikų beveik nėra, ir sankirtose besiformuojančius masyvius superspiečius. Didžiausios gijos gali nusitęsti per šimtus megaparsekų.
2.3 Šiuolaikinė Epocha: DESI, Euclid, Roman
Dabartinės ir būsimos apžvalgos, tokios kaip DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), Euclid (ESA) ir Nancy Grace Roman kosminis teleskopas (NASA), dar labiau pagilins bei išplės šiuos poslinkio žemėlapius iki dešimčių milijonų galaktikų didesniais poslinkiais. Jos siekia ištirti kosminio tinklo raidą nuo ankstyvųjų epohų ir detaliau įvertinti tamsiosios materijos, tamsiosios energijos bei struktūrų formavimosi sąveiką.
3. Teoriniai Pagrindai: Gravitacinis Nestabilumas ir Tamsioji Medžiaga
3.1 Pirminės Fluktuacijos iš Infliacijos
Ankstyvojoje Visatoje, infliacijos metu, kvantinės fluktuacijos virto klasikiniais tankio trikdžiais, apimančiais įvairaus masto diapazonus. Infliacijai pasibaigus, šie trikdžiai tapo kosminių struktūrų užuomazgomis. Kadangi tamsioji medžiaga yra šalta (anksti tampanti nereliatyvistine), ji gana greitai ėmė telktis, kai atsiskyrė nuo karštosios spinduliuotės aplinkos.
3.2 Nuo Linijinio Augimo prie Nelinijinės Struktūros
Visatai plečiantis, vietovės, kurių tankis buvo truputį didesnis už vidutinį, gravitaciškai traukėsi vis daugiau materijos, ir tankio kontrastas augo. Iš pradžių šis procesas buvo linijinis, bet kai kuriose srityse jis tapo nelinijinis, kol galiausiai tos sritys sugriuvo į gravitacinius halus. Tuo tarpu mažesnio tankio sritys plėtėsi sparčiau, formuodamos kosmines tuštumas. Kosminis tinklas atsiranda iš šios tarpusavio gravitacinės sąveikos: tamsioji medžiaga tampa karkasu, į kurį krenta barionai, suformuodami galaktikas.
3.3 N-kūnų Simuliacijos
Šiuolaikinės N-kūnų simuliacijos (Millennium, Illustris, EAGLE ir kitos) seka milijardus dalelių, atstovaujančių tamsiajai medžiagai. Jos patvirtina tinklinį pasiskirstymą – gijas, mazgus (spiečius) ir tuštumas – bei parodo, kaip galaktikos formuojasi tankiuose haluose tose mazgų sankirtose arba išilgai gijų. Šios simuliacijos naudoja pradines sąlygas iš KFS (CMB) galios spektro, pademonstruodamos, kaip mažos amplitudės fluktuacijos išauga iki šiandien matomų struktūrų.
4. Kosminio Tinklo Sandara: Gijos, Tuštumos ir Superspiečiai
4.1 Gijos
Gijos – tai jungtys tarp masyvių spiečių „mazgų“. Jos gali tįsti dešimtis ar net šimtus megaparsekų, kuriose randami įvairūs galaktikų spiečiai, grupės ir tarpgalaktinės dujos. Kai kuriuose stebėjimuose matomas silpnas rentgeno (X) ar vandenilio HI spinduliavimas, jungiantis spiečius ir rodantis, kad juose yra dujų. Šios gijos yra it magistralės, kuriomis materija iš retesnių sričių juda link tankesnių mazgų dėl gravitacijos.
4.2 Tuštumos
Tuštumos – tai didžiuliai, menko tankio regionai, kuriuose vos randama galaktikų. Įprastai jos užima apie 10–50 Mpc skersmenį, bet gali būti ir didesnės. Galaktikos, esančios tuštumų viduje (jei tokių apskritai yra), dažnai labai izoliuotos. Tuštumos plečiasi kiek sparčiau nei tankesnės sritys, galimai veikdamos galaktikų raidą. Skaičiuojama, kad ~80–90 % kosminės erdvės sudaro tuštumos, kuriose telkiasi vos ~10 % visų galaktikų. Šių tuštumų forma ir pasiskirstymas leidžia tikrinti tamsiosios energijos ar alternatyvių gravitacijos modelių hipotezes.
4.3 Superspiečiai
Superspiečiai dažniausiai nėra visiškai susivieniję gravitaciškai, bet jie sudaro didelio masto perteklius (overdensities), aprėpiančius kelis spiečius ir gijas. Pavyzdžiui, Shapley superspiečius ar Hercules superspiečius – vieni didžiausių žinomų tokio tipo darinių. Jie apibrėžia stambaus mastelio aplinką galaktikų spiečiams, tačiau per kosminius laiko tarpus gali ir netapti vienalyčiu gravitaciniu dariniu. Mūsų vietinė grupė (Local Group) priklauso Virdžinijos (Virgo) superspiečiui, dar vadinamam Laniakea – čia susitelkę šimtai galaktikų, kurių centrinė dalis – Virdžinijos spiečius.
5. Tamsiosios Medžiagos Reikšmė Kosminiame Tinkle
5.1 Kosminis Karkasas
Tamsioji medžiaga, būdama nesusidūranti (collisionless) ir sudarydama didžiąją materijos dalį, formuoja halus mazguose ir išilgai gijų. Barionai, kurie sąveikauja elektromagnetiškai, vėliau kondensuojasi į galaktikas šiuose tamsiosios medžiagos haluose. Be tamsiosios medžiagos vieni barionai sunkiai suformuotų masyvius gravitacinius gręžinius pakankamai anksti, kad atsirastų šiandien stebimos struktūros. N-kūnų simuliacijos, kuriose tamsioji medžiaga pašalinama, rodo visiškai kitokį pasiskirstymą, neatitinkantį tikrovės.
5.2 Stebėjimų Patvirtinimas
Silpnasis gravitacinis lęšiavimas (angl. cosmic shear) didelėse dangaus srityse tiesiogiai matuoja masės pasiskirstymą, kuris sutampa su gijinėmis struktūromis. Rentgeno (X) ir Sunjajevo–Zeldovičiaus (SZ) poveikio stebėjimai spiečiuose atskleidžia karštųjų dujų sankaupas, kurios dažnai atitinka tamsiosios medžiagos gravitacinius potencialus. Lęšiavimo, rentgeno duomenų ir galaktikų telkinio išsidėstymo derinys stipriai palaiko tamsiosios medžiagos svarbą kosminiame tinkle.
6. Poveikis Galaktikų ir Spiečių Formavimuisi
6.1 Hierarchinis Susijungimas
Struktūros formuojasi hierarchiškai: mažesni halai susilieja į didesnius kosminiu laiku bėgant. Gijos sudaro nuolatinį dujų ir tamsiosios medžiagos srautą į spiečių mazgus, dar labiau juos auginant. Simuliacijos rodo, kad galaktikoms, esančioms gijose, būdingas spartesnis medžiagos pritekėjimas, kuris veikia jų žvaigždžių formavimosi istoriją ir morfologinius virsmus.
6.2 Aplinkos Įtaka Galaktikoms
Galaktikos tankiose gijose ar spiečių centruose patiria spaudimo atplėšimą (ram-pressure stripping), potencialius potvyninius suardymus (tidal interactions) ar dujų stygiaus problemas, kas gali lemti jų morfologinį kitimą (pvz., spiralės virsmą į lęšines galaktikas). Tuo tarpu galaktikos tuštumose gali likti turtingos dujų ir aktyviau formuoti žvaigždes, nes joms mažiau tenka sąveikų su kaimynėmis. Taigi kosminio tinklo aplinka daro didelę įtaką galaktikų evoliucijai.
7. Būsimos Apžvalgos: Detalus Tinklo Žemėlapis
7.1 DESI, Euclid, Roman Projektai
DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) renka ~35 milijonų galaktikų/kvazarų poslinkius, leidžiančius sudaryti 3D kosminio tinklo žemėlapius iki maždaug z ~ 1–2. Tuo pat metu Euclid (ESA) ir Roman kosminis teleskopas (NASA) pateiks itin plačios aprėpties vaizdus ir spektroskopinius duomenis milijardų galaktikų, leis matuoti lęšiavimą, BAO ir struktūros augimą, siekiant patikslinti tamsiąją energiją bei kosminę geometriją. Šios naujos kartos apžvalgos leis beprecedentiškai tiksliai „išausti“ tinklo žemėlapį iki ~z = 2, apimdamos dar didesnę Visatos dalį.
7.2 Spektrinių Linijų Žemėlapiai
HI intensyvumo žemėlapiai (intensity mapping) ar CO linijų žemėlapiai gali leis greičiau stebėti stambaus mastelio struktūrą erdvinio poslinkio atžvilgiu, net neatvaizduojant kiekvienos atskiros galaktikos. Šis metodas paspartina apžvalgas ir suteikia tiesioginę informaciją apie materijos pasiskirstymą kosminiais laikais, teikdamas naujus ribojimus tamsiajai medžiagai ir tamsiajai energijai.
7.3 Kryžminės Koreliacijos ir Daugiadaviai (Multi-Messenger) Metodai
Duomenų derinimas iš skirtingų kosminių indikatorių – KFS lęšiavimo, silpnojo lęšiavimo galaktikų, rentgeno spiečių katalogų, 21 cm intensyvumo žemėlapių – leis tiksliai rekonstruoti trimatį tankio lauką, gijas ir materijos tekėjimo laukus. Toks metodų derinys padeda tikrinti gravitacijos dėsnius dideliu mastu ir lyginti ΛCDM prognozes su galimais modifikuotos gravitacijos modeliais.
8. Teoriniai Tyrimai ir Neatsakyti Klausimai
8.1 Mažų Mastelių Neatitikimai
Nors kosminis tinklas dideliu mastu gerai atitinka ΛCDM, tam tikrose mažo mastelio srityse pastebima neatitikimų:
- Cusp–core problema nykštukinių galaktikų sukimosi kreivėse.
- Trūkstamų palydovų problema: aplink Paukščių Taką randama mažiau nykštukinių halų, nei tikėtasi pagal paprastas simuliacijas.
- Palydovų plokštumos (plane of satellites) fenomenas arba kiti išsidėstymo neatitikimai kai kuriose vietinėse galaktikų grupėse.
Tai gali reikšti, kad svarbūs barionų grįžtamojo poveikio (feedback) procesai arba reikia naujos fizikos (pvz., šiltosios tamsiosios medžiagos ar sąveikaujančios tamsiosios medžiagos), kuri keičia struktūrą mažesniais nei Mpc mastais.
8.2 Ankstyvosios Visatos Fizika
Pirminis fluktuacijų spektras, stebimas kosminiame tinkle, susijęs su infliacija. Tinklo tyrimai didesniuose poslinkiuose (z > 2–3) galėtų atskleisti subtilius negausinių fluktuacijų ar alternatyvių infliacijos scenarijų požymius. Tuo tarpu rejonizacijos (reionization) epochos gijos ir barionų pasiskirstymas – tai dar vienas stebėjimų „horizontas“ (pvz., per 21 cm tomografiją ar gilias galaktikų apžvalgas).
8.3 Gravitacijos Patikrinimas Dideliais Mastais
Teoriškai, nagrinėdami, kaip gijos formuojasi kosminiu laiku, galima patikrinti, ar gravitacija atitinka bendrąjį reliatyvumą (BR), ar tam tikromis sąlygomis pasireiškia nukrypimų didelio masto superspiečiuose. Dabartiniai duomenys palaiko standartinį gravitacijos augimą, bet detalesnis žemėlapis ateityje gali atskleisti menkus nukrypimus, svarbius f(R) ar „braneworld“ teorijoms.
9. Išvada
Kosminis tinklas – didžioji gijų, tuštumų ir superspiečių pynė – atskleidžia, kaip Visatos struktūra išsirutulioja iš tamsiosios medžiagos valdomo gravitacinio pirminių tankio fluktuacijų augimo. Atradus jį atlikus dideles poslinkio apžvalgas ir palyginus su patikimomis N-kūnų simuliacijomis, tampa akivaizdu, jog tamsioji medžiaga yra būtinas „karkasas“ galaktikų bei spiečių formavimuisi.
Galaktikos išsidėsto šiomis gijomis, atiteka į spiečių mazgus, o didelės tuštumos lieka vienais tuščiausių kosmoso plotų. Šiame šimtų megaparsekų mastu nusitęsiančiame išsidėstyme atsiskleidžia Visatos hierarchiško augimo bruožai, puikiai derantys su ΛCDM ir patvirtinti KFS anizotropijų bei visos kosminių stebėjimų grandinės. Dabartinės ir būsimų projektų apžvalgos leis dar detaliau „užčiuopti“ trimatį kosminio tinklo vaizdą, geriau suprasti Visatos struktūros raidą, tamsiosios medžiagos prigimtį bei patikrinti, ar standartiniai gravitacijos dėsniai galioja pačiuose didžiausiuose mastuose. Šis kosminis tinklas – tai grandiozinis, tarpusavyje susijęs motyvas ir paties kosminio kūrimo „pirštų atspaudas“ nuo pirmųjų akimirkų iki šių dienų.
Literatūra ir Papildoma Skaityba
- Gregory, S. A., & Thompson, L. A. (1978). “Superclusters of galaxies.” The Astrophysical Journal, 222, 784–796.
- de Lapparent, V., Geller, M. J., & Huchra, J. P. (1986). “A slice of the universe.” The Astrophysical Journal Letters, 302, L1–L5.
- Colless, M., et al. (2001). “The 2dF Galaxy Redshift Survey: spectra and redshifts.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 328, 1039–1063.
- Tegmark, M., et al. (2004). “Cosmological parameters from SDSS and WMAP.” Physical Review D, 69, 103501.
- Springel, V., et al. (2005). “Simulations of the formation, evolution and clustering of galaxies and quasars.” Nature, 435, 629–636.