Filamentai, „lakštai“ ir didžiuliai tuštumos regionai, besitęsiantys milžiniškais mastais – tai ankstyvųjų tankio sėklų atspindys
Stebint naktinį dangų, milijardai žvaigždžių, kuriuos matome, dažniausiai priklauso mūsų Pačiam Takui. Tačiau už mūsų galaktikos ribų atsiveria dar platesnis reginys – kosminis tinklas – milžiniškas galaktikų spiečių, gijų ir tuščių erdvių „audinys“, besitęsiantis per šimtus milijonų šviesmečių. Ši stambaus masto struktūra kyla iš menkučių tankio fluktuacijų ankstyvojoje Visatoje, kurias per kosminį laiką išdidino gravitacija.
Šiame straipsnyje aptarsime, kaip formuojasi galaktikų spiečiai, kaip jie dera kosminiame tinkle iš gijų ir „lakštų“, bei kokia yra tarp jų esančių didžiulių tuštumų prigimtis. Suprasdami, kaip materija išsidėsto didžiausiais mastais, atskleidžiame pagrindinius Visatos evoliucijos ir jos sandaros aspektus.
1. Didelio masto struktūros atsiradimas
1.1 Nuo pirminių fluktuacijų prie kosminio tinklo
Netrukus po Didžiojo sprogimo Visata buvo nepaprastai karšta ir tanki. Mažytės kvantinės fluktuacijos, galbūt kilusios infliacijos metu, sukūrė menkus per- ir po-tankius regionus beveik tolygiai pasiskirsčiusioje medžiagoje ir spinduliuotėje. Vėliau tamsioji materija pradėjo telktis ties tais pertekliniais regionais; Visatai plečiantis ir vėstant, barioninė materija (įprastoji) grimzdo į tamsiosios materijos „gravitacinius šulinius“, pabrėžiančius tankio skirtumus.
Taip susidarė mums dabar žinomas kosminis tinklas:
- Filamentai: Ilgos, siauros galaktikų ir galaktikų grupių gijos, nusidriekusios tamsiosios materijos „stuburais“.
- Lakštai („Walls“): Dvimatės struktūros, išsidėsčiusios tarp gijų.
- Tuštumos: Didžiuliai, menko tankio regionai, kuriuose mažai galaktikų; užima didžiąją dalį Visatos tūrio.
1.2 ΛCDM sistema
Priimtiniausias kosmologinis modelis ΛCDM (Lambda šaltoji tamsioji materija) teigia, kad tamsioji energija (Λ) lemia Visatos plėtimosi spartėjimą, o nereliatyvistinė (šaltoji) tamsioji materija dominuoja struktūrų formavime. Esant šiam scenarijui, struktūros formuojasi hierarchiškai — mažesni halai jungiasi į didesnius, sudarydami mus pasiekiančias stambiąsias struktūras. Galaktikų išsidėstymas šiuose masteliuose glaudžiai sutampa su šiuolaikinių kosminių simuliacijų rezultatais, patvirtindamas ΛCDM prognozes.
2. Galaktikų spiečiai: kosminio tinklo milžinai
2.1 Apibrėžtis ir savybės
Galaktikų spiečiai – masyviausios gravitaciškai surištos Visatos struktūros, dažniausiai talpinančios šimtus ar net tūkstančius galaktikų per kelis megaparsekus. Pagrindiniai bruožai:
- Daug tamsiosios materijos: ~80–90 % spiečiaus masės sudaro tamsioji materija.
- Karšta tarpspiečio terpė (ICM): Rentgeno spinduliuotės stebėjimai rodo didžiulius karštų dujų kiekius (107–108 K), užpildančius erdvę tarp galaktikų.
- Gravitacinis surišimas: Pakanka bendros masės, kad nariai išliktų susieti net nepaisant Visatos plėtimosi, todėl spiečius – savotiška „uždara sistema“ kosminiais laikotarpiais.
2.2 Formavimasis per hierarchinį augimą
Spiečiai auga akretuodami mažesnes grupes ir susidurdami su kitais spiečiais. Tai tęsiasi ir dabartinėje epochoje. Kadangi spiečiai formuojasi kosminio tinklo mazguose (kur susikerta gijinės struktūros), jie tampa Visatos „miestais“, o aplinkiniai filialai (filamentai) teikia jiems materiją ir galaktikas.
2.3 Stebėjimo metodai
Yra keletas būdų, kaip astronomai aptinka ir tiria galaktikų spiečius:
- Optinės apklausos: Dideliuose raudonojo poslinkio tyrimuose, pvz. SDSS, DES ar DESI, ieškoma didelių galaktikų sankaupų.
- Rentgeno stebėjimai: Karštos tarpspiečio dujos skleidžia intensyvius rentgeno spindulius, tad Chandra ir XMM-Newton misijos ypač svarbios spiečiams aptikti.
- Gravitacinis lęšiavimas: Spiečiaus milžiniška masė išlenkia foninių objektų šviesą, suteikdama nepriklausomą būdą nustatyti bendrą spiečiaus masę.
Spiečiai veikia kaip svarbios kosminės laboratorijos – matuojant jų kiekį ir išsidėstymą skirtingais laikotarpiais, galima gauti fundamentalių kosmologijos parametrų (pvz., tankio fluktuacijų amplitudę σ8, materijos tankį Ωm ir tamsiosios energijos savybes).
3. Kosminis tinklas: filamentai, „lakštai“ ir tuštumos
3.1 Filamentai: materijos magistralės
Filamentai – pailgi, virveles primenantys tamsiosios materijos ir barionų dariniai, nukreipiantys galaktikų ir dujų judėjimą į spiečių centrus. Jie gali siekti nuo kelių iki dešimčių ar šimtų megaparsekų. Išilgai šių gijų mažesnės galaktikų grupės bei spiečiai „kabo“ tarsi „karoliukai ant siūlo“, kur sankirtose masė dar labiau sutankinama.
- Tankio kontrastas: Filamentuose tankis kelis ar dešimtis kartų viršija kosminį vidurkį, nors jie ir ne tokie tankūs kaip spiečiai.
- Dujų ir galaktikų tėkmė: Gravitacija verčia dujas ir galaktikas judėti išilgai gijų link masyvių mazgų (spiečių).
3.2 „Lakštai“ arba „Walls“
Lakštai (arba „Walls“), esantys tarp filamentų, yra didelio masto dvimatės struktūros. Kai kurie stebėti atvejai, pvz. Great Wall, tęsiasi per šimtus megaparsekų. Nors ne tokie siauri ar tankūs kaip filamentai, jie sujungia sritis tarp retesnių gijų bei tuštumų.
3.3 Tuštumos: kosminiai „kavitacijos“ regionai
Tuštumos – milžiniškos, beveik tuščios erdvės, kuriose galaktikų kiekis gerokai mažesnis, palyginti su filamentais ar spiečiais. Jų dydis gali siekti dešimtis megaparsekų, užimdamos daugumą Visatos tūrio, bet laikydamos tik nedidelę masės dalį.
- Struktūra tuštumose: Tuštumos nėra absoliučiai tuščios. Ten irgi egzistuoja nykštukinės galaktikos ar smulkios gijelės, tačiau tankis gali būti ~5–10 kartų mažesnis nei vidutinis.
- Reikšmė kosmologijai: Tuštumos jautrios tamsiosios energijos prigimčiai, alternatyviems gravitacijos modeliams bei smulkaus masto tankio fluktuacijoms. Pastaruoju metu tuštumos tapo nauju frontu tikrinant nuokrypius nuo standartinio ΛCDM.
4. Įrodymai, patvirtinantys kosminį tinklą
4.1 Galaktikų raudonojo poslinkio apklausos
Didelio masto raudonojo poslinkio apklausos, vykdytos 8-ojo dešimtmečio pabaigoje ir 9-ojo pradžioje (pvz. CfA Redshift Survey), atskleidė „Great Walls“ galaktikų sankaupas ir tuščias sritis, dabar vadinamas tuštumomis. Dabartinės didesnės apimties programos, pvz. 2dFGRS, SDSS, DESI, ištyrė milijonus galaktikų, nepalikdamos abejonių, kad jų išsidėstymas atitinka kosminių simuliacijų sukurto tinklo piešinį.
4.2 Kosminis mikrobangų fonas (KMF)
KMF anizotropijų tyrimai (Planck, WMAP ir ankstesnės misijos) patvirtina pradines fluktuacijų savybes. Kai šios fluktuacijos išvystomos pirmyn laiku simuliacijose, jos išauga į tą kosminio tinklo raštą. Didelis KMF matavimo tikslumas leidžia nustatyti tankio sėklų pobūdį, lemiantį stambiąją struktūrą.
4.3 Gravitacinis lęšiavimas ir silpnas lęšiavimas
Silpno lęšiavimo tyrimai seka nežymius foninių galaktikų formos iškraipymus, sukeltus tarpinės materijos. CFHTLenS, KiDS ir kiti projektai atskleidė, kad masė pasiskirsto pagal tą patį tinklo vaizdą, kurį nubrėžia galaktikų išsidėstymas, dar labiau patvirtindama, kad tamsioji materija dideliais mastais išsidėsto panašiai kaip barionai.
5. Teoriniai ir simuliaciniai požiūriai
5.1 N-kūnų simuliacijos
Tamsiosios materijos N-kūnų simuliacijose natūraliai išryškėja kosminio tinklo „skeletas“, kur milijardai dalelių gravitaciškai kolapsuoja, formuodamos halus ir gijas. Svarbiausi akcentai:
- „Tinklo“ atsiradimas: Gijos jungia per tankius regionus (spiečius, grupes), atspindinčius gravitacinę srautų dinamiką iš išorinių sričių.
- Tuštumos: Susidaro menkai tankiuose regionuose, kur medžiagos srautai atstumia materiją, taip dar labiau pabrėždami tuštumas.
5.2 Hidrodinamika ir galaktikų formavimas
Pridėjus hidrodinamiką (dujų fizika, žvaigždėdara, grįžtamieji ryšiai) prie N-kūnų kodų, geriau matyti, kaip galaktikos pasiskirsto kosminiame tinkle:
- Filamentinis dujų įtekėjimas: Daugelyje simuliacijų vėsios dujos teka gijom į susiformuojančias galaktikas, skatindamos žvaigždėdarą.
- Grįžtamojo ryšio poveikis: Supernovų ir AGN ištekėjimai gali sutrikdyti ar kaitinti įtekantįsias dujas, modifikuodami vietinę tinklo struktūrą.
5.3 Likusios problemos
- Mažo mastelio klausimai: Tokie reiškiniai kaip branduolio-krašto („core-cusp“) ar „too-big-to-fail“ rodo neatitikimus tarp ΛCDM prognozių ir kai kurių vietinių galaktikų stebėjimų.
- Kosminės tuštumos: Išsamus tuštumų dinamikos ir jose glūdinčių mažesnių struktūrų modeliavimas išlieka intensyvaus tyrimo sritis.
6. Kosminio tinklo raida laiko tėkmėje
6.1 Ankstyvasis laikotarpis: dideli raudonieji poslinkiai
Tuoj po rejonizacijos (z ∼ 6–10) kosminis tinklas dar nebuvo taip ryškus, bet vis tiek matomas iš smulkių halų ir užsimezgančių galaktikų pasiskirstymo. Gijos galėjo būti siauresnės, retesnės, bet jos vis tiek kreipė dujų srautus į protogalaktinių centrų link.
6.2 Bręstantis tinklas: tarpiniai raudonieji poslinkiai
Apie z ∼ 1–3 gijinės struktūros jau kur kas ryškesnės, maitinančios sparčiai žvaigždėdarines galaktikas. Spiečiai sparčiai formuojasi, tarpusavyje jungiasi į vis masyvesnius darinius.
6.3 Dabartinis laikotarpis: mazgai ir tuštumų plėtimasis
Šiandien matome brandžius spiečius kaip mazgus tinkle, tuo tarpu tuštumos gerokai prasiplėtė veikiamos tamsiosios energijos. Daugelis galaktikų glūdi tankiose gijose arba spiečių aplinkose, bet kai kurios išlieka atsiskyrusios tuštumų gilumoje, evoliucionuodamos labai skirtingu keliu.
7. Galaktikų spiečiai kaip kosmologiniai žymekliai
Nes galaktikų spiečiai – masyviausios surištos struktūros, jų gausa skirtingais Visatos laikotarpiais labai jautri:
- Tamsiosios materijos tankiui (Ωm): Daugiau materijos reiškia intensyvesnį spiečių susidarymą.
- Tankio fluktuacijų amplitudei (σ8): Stipresnės fluktuacijos lemia greitesnį masyvių halų atsiradimą.
- Tamsiajai energijai: Ji daro įtaką struktūrų augimo tempui. Jei Visatoje daugiau tamsiosios energijos, spiečiai formuojasi lėčiau vėlesniu metu.
Tad galaktikų spiečių stebėjimų duomenys, t. y. jų skaičius, masė (matuojama rentgeno spindulių, lęšiavimo ar Sunyaev–Zel’dovich efektu), ir evoliucija su raudonuoju poslinkiu leidžia nustatyti tvirtus kosmologinius parametrus.
8. Kosminis tinklas ir galaktikų raida
8.1 Aplinkos sąlygos
Kosminio tinklo aplinka stipriai veikia galaktikų raidą:
- Spiečių centruose: Didelis greičių skirtumas, dujų slėgio nuplėšimas (ram pressure) ir susijungimai dažnai gesina žvaigždėdarą, todėl ten gausu didelių elipsinių galaktikų.
- „Maitinimas“ iš gijų: Spiralinės galaktikos gali toliau aktyviai formuoti žvaigždes, jei nuolat gauna naujų dujų iš filamentų.
- Tuštumos galaktikos: Izoliuotos, lėtesnės raidos, ilgiau išlaikančios dujas bei tęsdamos žvaigždėdarą kosminėje ateityje.
8.2 Cheminis praturtinimas
Galaktikos, susidarančios tankiuose mazguose, patiria daug žvaigždžių sprogimų ir grįžtamųjų ryšių, išmesdamos metalus į tarpspiečio terpę ar filaments. Net ir tuštumų galaktikos šiek tiek praturtinamos pro sporadinius ištekėjimus ar kosminius srautus, nors lėčiau nei tankesniuose regionuose.
9. Ateities kryptys ir stebėjimai
9.1 Naujos kartos stambios apklausos
LSST, Euclid, bei Nancy Grace Roman kosminis teleskopas tyrinės milijardus galaktikų, suteikdami itin tikslų 3D kosminio audinio vaizdą. Patobulinti lęšiavimo duomenys leis dar aiškiau nustatyti, kaip išsidėsčiusi tamsioji materija.
9.2 Giliųjų filamentų ir tuštumų stebėjimai
„Šiltos–karštos tarpgalaktinės terpės (WHIM)“ detekcija filamentuose dar kelia sunkumų. Ateities rentgeno misijos (pvz., Athena) ir tobulesnė spektroskopija UV ar rentgeno srityje gali atskleisti dulksną dujų tiltus tarp galaktikų, galiausiai parodant „trūkstamus barionus“ kosminiame tinkle.
9.3 Precizinė tuštumų kosmologija
Vystosi ir tuštumų kosmologijos sritis, siekiant panaudoti tuštumų savybes (dydžių pasiskirstymą, formas, greičio srautus) tikrinti alternatyvias gravitacijos teorijas, tamsiosios energijos modelius ir kitus ne-ΛCDM variantus.
10. Išvada
Galaktikų spiečiai, regimi kosminio tinklo mazguose, bei filamentai, „lakštai“ ir tuštumos, išsidėsčiusios tarp jų, sudaro didžiąją Visatos „konstrukciją“ pačiais didžiausiais mastais. Šios struktūros gimė iš menkų tankio fluktuacijų ankstyvojoje Visatoje, stiprėjusių gravitacijos paveikiamos tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos sukeltos plėtimosi.
Šiandien matome dinamišką kosminį tinklą, pilną milžiniškų spiečių, išraizgytų gijų, turinčių daugybę galaktikų, ir plačių, beveik tuščių erdvių. Šios didžiulės „konstravimo“ formos ne tik atspindi, kokią svarbą turi gravitaciniai dėsniai tarpgalaktiniu mastu, bet ir yra esminės kosmologinių modelių patikrai bei mūsų supratimui, kaip galaktikos vystosi tankiausiose arba rečiausiose Visatos vietose.
Nuorodos ir platesnis skaitymas
- Bond, J. R., Kofman, L., & Pogosyan, D. (1996). “How filaments are woven into the cosmic web.” Nature, 380, 603–606.
- de Lapparent, V., Geller, M. J., & Huchra, J. P. (1986). “A slice of the universe.” The Astrophysical Journal Letters, 302, L1–L5.
- Springel, V., et al. (2005). “Simulations of the formation, evolution and clustering of galaxies and quasars.” Nature, 435, 629–636.
- Cautun, M., et al. (2014). “The cold dark matter cosmic web.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 441, 2923–2944.
- Van de Weygaert, R., & Platen, E. (2011). “Cosmic Voids: Structure, Dynamics and Galaxies.” International Journal of Modern Physics: Conference Series, 1, 41–66.