Космология

4 Вмиренауkи|[10]октябрь2016

САМОЕПУСТОЕ МЕСТОВ КОСМОСЕ

КОСМОЛОГИЯ

Иштван Сапуди

Попытки объяснить странное холодное пятно в космосе привели ученых к открытию еще более странному: гигантской и почти совершенно пустой области

Illus

trat

ion

by M

aria

Cor

te M

aida

gan

Космология

w w w.sci-ru.org [10]октябрь2016|Вмиренауkи 5

Космология

6 Вмиренауkи|[10]октябрь2016

Детская фотография Вселенной нелишена недо-статков, называемых также аномалиями, потомучто они немогут быть объяснены спомощью со-временной стандартной космологической моде-ли. Одна изсамых больших аномалий— так на-зываемое холодное пятно накарте анизотропииреликтового излучения— была детально изуче-на поданным космической миссии NASA WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Это пятнопоплощади равно примерно 20Лунам, как мы еевидимсЗемли.Дляоднихученыхэтааномалия—досадная неприятность, нарушающая стройнуюкартину стандартной космологической модели,адля других— источник научного любопытстваикуражапереднеизвестным.

Одно извозможных объяснений аномалии хо-лодного пятна накарте анизотропии реликтового

излучения— это случайность. Другими словами,пятно возникло спонтанно ине представляет со-бой следствие каких-то особых причин. Однако,пооценкамученых,вероятностьтакогослучайно-гособытияневелика,примернополпроцента.Дру-гиевозможностипредставленыширочайшимспек-тром—отрациональныхдосовершеннофантасти-ческих: отдопущения проблем внаблюдательнойтехникеидоналичияпорталавдругиеизмеренияипрочихпроявленийскрытыхразмерностей.

В2007г.быловысказанопредположение,чтохо-лодноепятноможетбытьследствиемсуществова-ниявкосмосегигантскойпустойобласти(такна-зываемого войда), почти лишенной игалактик,имежгалактического вещества, итогда положе-ние этой области должно было бы коррелироватьсположениемхолодногопятнанакарте.Этотвойд

лятогочтобыувидетьсамыйдревнийсветвоВселенной,простовключитестарыйтелевизормеждуканалами.Дрожащийковеризточек иузоров— это результат воздействия нателевизион-нуюантеннуфотонов,испущенных13,8млрдлетназад,вэпоху,близкуюкБольшомувзрыву.Этифотоныстемпературойоколо2,7°K летяткнамсовсехсторон,почтиравномернозаполняявсепространство, иформируют космический микроволновой фон(реликтовое излучение). Реликтовые фотоны— самый древний

свет,ипоэтомудвумернуюкартуреликтовогоизлучениячастоназываютдетскойфотографией Вселенной. Благодаря этой карте можно узнать отом, какова быларанняяВселенная,ипонять,почемумирвокругнастаков,какиммыеговидим.

ОБ АВТОРЕИштван Сапуди (István Szapudi) — астроном из Института астрономии Гавайского университета. Работает в области космологии и крупномасштабной структуры Вселенной.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Космическое фоновое микроволновое излучение (реликтовое излучение) — самый древний свет, который прони-зывает Вселенную. Анизотропия реликтового излучения содержит странное «холодное пятно», в котором темпера-туры реликтовых фотонов несколько ниже среднего фона.

Одно из возможных объяснений — предположение о существовании сверхвойда, гигантской и относительно пустой области, по пространственному положению совпадающей с холодным пятном. Фотоны света, идущие через нестаци-онарный (то есть ускоренно расширяющийся) сверхвойд, изменяют энергию, уменьшая или увеличивая ее в зависи-мости от гравитационного потенциала (ансамбль таких фотонов изменяет температуру, становясь то холоднее, то го-рячее), — это интегральный эффект Сакса — Вольфа.

Недавно астрономы предположительно открыли сверхвойд протяженностью 1,8 млрд световых лет, лежащий в той же области неба, что и холодное пятно. Однако пока наблюдательных данных недостаточно для доказатель-ства однозначной связи этих двух структур.

Космология

w w w.sci-ru.org [10]октябрь2016|Вмиренауkи 7

COU

RTES

Y O

F RO

B RA

TKO

WSK

I AN

D PS

1 OBS

ERVA

TORY

оказался бы наипустейшим местом вовсей Все-ленной, этаким редчайшим пузырем всравни-тельно плотном окружении. Если такая пустотадействительносуществует,тоееисследованиемо-жет быть очень полезным для понимания приро-дытемнойэнергии,составкоторойдосихпорне-известен, нокоторая суверенностью признаетсяисточником ускоренного расширения Вселенной.Внастоящее время ведутся активные исследова-ния, действительно ли положения войда ихолод-ногопятнанакартеанизотропииреликтовогоиз-лучениясовпадают.

Рассекая пустотуУченыепришликмысли,чтоможетсуществоватьсверхвойд,порождающийхолодноепятнонакар-те анизотропии реликтового излучения засчеттого,чтосветпроходитчерезгруппыменьшихво-йдов.Предполагаемыйсверхвойдпредставляетсо-бойкрайность,новойдыменьшегоразмера,содер-жащиемалоечислогалактик,—обычноеявлениевоВселенной.Такжеобычныиихпротивополож-ности— скопления галактик. Космологи счита-ют, что неоднородность распределения веществанасверхбольшихмасштабахзародиласьвранней

Вселенной изфлуктуаций плотности, которые,всвою очередь, могли быть следствием квантово-механическихпроцессов.Другимисловами,вран-ней Вселенной существовал контраст плотности,который позже развился вкрупномасштабнуюструктуру.Чембольшемасса,темсильнееграви-тационное поле, которое она создает, что, всвоюочередь,привлекаетвтакиеобластиновуюмассу.Те области, откоторых уходит масса, истановят-сявойдами.

Посколькувойдысодержаточеньмаловещества,тосточкизренияраспределениягравитационныхполейонипохожинахолмы,скоторыхвсескаты-вается (холмы гравитационного потенциала. — Примеч. пер.).Так,есличастицадвижетсяввойдеотисточников сильного гравитационного притя-жения,расположенныхвовнешнихобластях,оназамедляется, как шарик, который запустили ка-титьсявверхпосклонухолма.Кактолькочастицаначинаетдвигатьсявсторонуграницывойда,онаразгоняется,какшарик,катящийсявнизпоскло-ну. Аналогично ведут себя иреликтовые фотоны,которые изменяют энергию, тоесть частоту (ско-рость фотонов неменяется иостается всегда по-стоянной иравной скорости света ввакууме).

Сканирование неба с помощью панорамного Обзорного телескопа и Системы быстрого реагирования (Pan-STARRS) на острове Мауи помогло астрономам предположительно обнаружить огромное пустое пространство — сверхвойд, которое могло бы объяснить холодное пятно на карте анизотропии реликтового излучения

Космология

8 Вмиренауkи|[10]октябрь2016

COU

RTES

Y O

F ES

A A

ND

PLA

NCK

CO

LLA

BORA

TIO

N (

CMB

)

Изменение частоты для одного фотона соответ-ствуетизменениютемпературыдляансамбляфо-тонов. Когда фотоны попадают ввойд, они «взби-раются нахолм», теряют энергию— и, следо-вательно, их температура уменьшается. Когдафотоны покидают войд, они «скатываются схол-ма», восстанавливают энергию иих температураповышается. Если бы пространство нерасширя-лосьсускорением,тотемпературавосстанавлива-ласьбыдоначальной,котораябылауфотоновпривхожденииввойд.Ноэтонетак.

Примерно два десятилетия назад ученые обна-ружили, что Вселенная непросто расширяется,норасширяется сускорением. Большинство кос-мологов считают, что ускорение вызвано темнойэнергией,обладающейтакимсвойством,чтовпро-странствееедавлениеотрицательноионапроти-водействуетсиламгравитационногопритяжения(на сверхбольших масштабах. — Примеч. пер.).Ускоренноерасширениеискажаетрассмотренныйвыше сценарий катания шариков похолму. При-менительнокфотонамреликтовогоизлученияэтоозначает, что, пока фотон пересекает войд, окру-жающая холм равнина становится выше и, та-кимобразом,плоскийберегнадругойсторонево-йда тоже становится выше. Врезультате, выходяизвойда, фотон неможет вернуть себе всю энер-гию,затраченнуюнаподъем.Такимобразом,вре-зультатепрохождениячерезвойдфотонытеряютэнергию, что накарте анизотропии реликтовогоизлучениявыглядиткакгруппахолодныхпятен.Припересечениисверхскопленийгалактикрелик-товые фотоны, наоборот, набирают энергию, чтопредставленонакартеанизотропиигруппойгоря-чихпятен.

Та часть анизотропии, которая генерируетсязасчетинтегральногоэффектаСакса—Вольфа,неслишкомвеликадажеприпересечениифото-намибольшихвойдов.Порядоканизотропиисо-ставляетвеличинупорядка10-5отизотропногофона. Однако вслучае гигантской пустой об-ласти (сверхвойда) анизотропия должна бытьдостаточно большой для генерации холодно-гопятна.Найденныйсверхвойднетолькопо-зволилбыобъяснитьприродухолодногопят-нанакартеанизотропииреликтовогоизлуче-ния,ноисталбыещеоднимнаблюдательнымтестомдлятемнойэнергии.

Охота за гигантской пустотойПоговорим опоисках сверхвойда, начатыхв2007г.Вообщеговоря,обнаружитьвкосми-ческом пространстве огромную пустую об-ластьсложнее,чемкажетсянапервыйвзгляд.Большинствоастрономическихинструментовдаютплоскиеснимкинеба,которыенесодер-жатинформацииотом,какдалеколежатобъ-екты наснимках. Одни галактики выглядят

ТЕОРИЯ

Холодный одинокий энергетический холм

в космосеУченые предположительно обнаружили сверх-войд — область пространства, в которой гораз-до меньше галактик, чем в окружающих обла-стях. Возможно, сверхвойд может объяснить странное холодное пятно на карте ани-зотропии реликтового излучения, от-крытое около десяти лет назад. Реликтовое излучение было рож-дено вскоре после Большого взрыва и до сих пор путе-шествует по Вселенной. Фотоны реликтового из-лучения, проходя че-рез сверхвойд, мо-гут терять энергию за счет так на-зываемого ин-тегрально-го эффекта Сакса — Вольфа.

Холодное пятно

1 Что такое холодное пятно на карте анизотропии реликтового излучения?

Реликтовое излучение — самый древний свет Вселенной, который распространяется по всему пространству. Двумерная карта анизотропии реликтового излучения представляет собой смену областей повышенной (красный) и по-ниженной (голубой) яркости с более высокой и более низкой температурой соответ-ственно. В целом анизотропия реликтово-го излучения хорошо объясняется стан-дартной космологической моделью, однако есть и нерешенные вопросы, в частности наличие большого холод-ного пятна на этой карте (отмечено кружком), которое слишком холод-но и слишком велико, чтобы быть легко объясненным. Проблема этого пятна волновала ученых с момента его открытия в 2004 г. космическим радио-телескопом WMAP.

Расширение

Холодное пятно на карте анизотропии

реликтового излучения

Космология

w w w.sci-ru.org [10]октябрь2016|Вмиренауkи 9

Не в масштабе

Сверхвойд

2 Что представляет собой сверхвойд?В 2015 г. астрономы предположительно открыли сверхвойд на расстоянии около 3 млрд световых лет от Земли. Этот сверхвойд, вероятно, сможет объяснить холодное пятно в данных анизотропии реликтового излучения. Для объяснения связи между этими двумя структурами представим себе Вселенную и отличающиеся средней плотностью области в ней как набор сфер (как вложенных одна в другую, так и парящих рядом друг с другом). Собственно пространство (внутренняя сфера) расширяется, так же как и поверхность последнего рассеяния, источник реликтовых фотонов (внешняя сфера), появившаяся примерно 13,8 млрд лет на-зад. Реликтовый свет, начав путь от поверхности последнего рассеяния, идет к наблюдателю со всех сторон, и какая-то его часть обязательно пересечет сверхвойд, в котором свет станет холоднее за счет интегрального эффекта Сакса — Вольфа (3).

3 Как работает интегральный эффект Сакса — Вольфа?

Фотон, пересекающий сверхвойд, ведет себя как шарик, вкатывающийся вверх по склону холма. Поскольку сверх-войд почти пустой, его гравитационное поле меньше, чем поле окружающих более насыщенных веществом областей, и, следовательно, уменьшает энергию шарика. Когда фотон покидает сверхвойд, он ведет себя как шарик, который скатывается по склону холма. Скорость фотона, конечно, не меняется, она постоянна и равна скорости света в вакуу-ме, но частота фотона меняется, что означает для ансамбля фотонов изменение температуры.

В статической Вселенной, проходя через пустую область, свет теряет и приобретает одно и то же количество энергии. Во Вселенной, расширяющейся с ускорением, это не так. Пока свет идет через сверхвойд, эта область пространства успевает расшириться, что для примера с шариками анало-гично тому, как если бы окружающее холм пространство приподнялось и шарик, скатившись, оказался бы выше своего изначального положения, которое он имел, начиная подъем на холм. Другими словами, фотоны не восполняют свою энергию, и, пройдя сверхвойд, ансамбль фотонов становится холоднее, чем был до входа в сверхвойд.

Расширение

Illus

trat

ion

by M

oonr

unne

r Des

ign

Свет полностью восстанавливает энергию, покидая пустую область

…которое отличается от режима изменения энергии в расширяющейся системе

Свет восстанавли-вает только часть своей энергии, покидая пустую область.

Земля

Свет теряет энергию в пустой области

Действие сверхвойда на изменение энергии идущего через него фотона в статической Вселенной…

Сверхвойд

Космология

10 Вмиренауkи|[10]октябрь2016

какбыслипшимисямеждусобой,адругие,наобо-рот, широко отстоящими относительно луча зре-ния, что несоответствует реальным физическимрасстоянияммеждуними.Длятогочтобыустано-витьотносительноерасположениегалактиквпро-странстве иоценить расстояние доних, астроно-мыдолжнысобратьдополнительнуюинформациюокаждой галактике вотдельности. Это доволь-но трудоемкая задача. В2007г. группа ученыхизУниверситета Миннесоты— Лоуренс Рудник(Lawrence Rudnick) иего коллеги— исследоваликаталог галактик врадиодиапазоне, полученныйвпроекте обзора неба NRAO VLA. Было обнаруже-но, что область пространства, примерно совпада-ющаяпорасположениюсхолоднымпятномнакар-теанизотропииреликтовогоизлучения,содержитмалое число галактик посравнению сосреднимчислом галактик вокружающих областях. Оченьбольшое расстояние доэтих галактик было апри-ориизвестноизданныхдругихкаталогов.Собраввсюинформациювоедино,ученыепредположили,

чтоданнаяобластьпредставляетсобойсверхвойд,ответственный загенерацию холодного пятна со-гласномеханизмуинтегральногоэффектаСакса—Вольфа, инаходится отнас нарасстоянии около11млрд световых лет. Одна изтрудностей такогопредположения заключается втом, что свет, при-ходящий кнам сегодня, пересекал бы этот сверх-войд очень давно, примерно 8млрд лет назад(именновосемь,ане11,потомучтосмоментапро-хождения света через этот сверхвойд Вселеннаяуспела расшириться почти вдва раза). Вте дале-киевременавлияниетемнойэнергииещенебылотаквелико,каксегодня,ипоэтому,вполневозмож-но,интегральныйэффектСакса—Вольфабылсо-всемнезначительнымдлятого,чтобыполучитьхо-лодноепятно.

РаботагруппыРудниканедаларезультатов,од-нако инициировала дальнейшие исследованиявэтой области. Вместе смолодыми исследовате-лями Гавайского университета Беном Гранеттом(BenGranett)иМаркомНейринком(MarkNeyrinck)

МЕТОДОЛОГИЯ

Повышенная плотность (красный)

3 млр

д све

товы

х лет

Пониженная плотность (голубой)

Красное смещение 0,09

0,11–0,14

0,17–0,22

Реликтовое излучение

Срезы ВселеннойИсследователи разделили трехмерную плотность распределения галактик на ряд срезов, показывающих, как меняется плотность галактик с расстоянием до наблю-дателя. В каждом срезе (слева) цвет указывает плотность, где красные области соот-ветствуют более плотным областям, содержащим много галактик, а голубые области

соответствуют областям с малым количеством галактик. Срезы центри-рованы так, чтобы оказаться на одном луче зрения с холодным пятном

на карте анизотропии реликтового излучения. Белыми кругами пока-заны радиусы 5 и 15 градусов вокруг центра холодного пятна (для сравнения: площадь Луны покрывает полградуса на небе). Черным контуром показан профиль холодного пятна. Красными контура-ми показаны другие структуры на карте анизотропии.

Набор для объемных изображенийИсследователи создали три среза Вселенной, чтобы по-казать плотность распределения галактик на трех разных расстояниях: с красным смещением 0,09 (это соответ-ствует расстояниям до 1,24 млрд световых лет); с крас-ным смещением в интервале от 0,11 до 0,14 (это соответ-ствует расстояниям от 1,5 млрд световых лет до 1,9 млрд световых лет); с красным смещением в интервале от 0,17 до 0,22 (что соответствует расстояниям в интер-вале от 2,3 млрд световых лет до 3 млрд световых лет). Ближайший срез не показывает наличие пустоты, а самый дальний, похоже, показывает небольшой войд, немного смещенный от центра среза для соответствия положению холодного пятна. Средний срез показывает большую пу-стую область, большей частью совпадающую с положени-ем холодного пятна. Так был отождествлен сверхвойд.

В поисках сверхвойда

Для поиска сверхвойда, кото-рый мог бы объяснить холодное пятно на карте анизотропии ре-ликтового излучения, астроно-мы проанализировали каталог галактик, созданный космиче-ской миссией WISE — Глубокий инфракрасный обзор, а так-же с помощью двухмикронно-го Обзора всего неба (2MASS) и Pan-STARRS. В каталоге указа-ны положения большого чис-ла галактик, однако не указаны расстояния до них, что необхо-димо для определения расстоя-ния до сверхвойда. Для оценки расстояний до галактик исполь-зовались оптические данные в разных фильтрах для опреде-ления, насколько свет смещен в красную область электромаг-нитного спектра. Красное сме-щение далеких галактик вызва-но ускоренным расширением Вселенной (длина волны света, испущенного источником в рас-ширяющемся пространстве, также будет расширяться). Чем больше красное смещение га-лактики, тем дальше от Земли она находится. Совместно ис-пользуя данные каталогов и оценки красных смещений (следовательно, и расстояний), ученые построили трехмерную карту распределения галактик в той части неба, где располага-ется холодное пятно. Не в масштабе

SOU

RCE:

“D

ETEC

TIO

N O

F A

SU

PERV

OID

ALI

GNED

WIT

H TH

E CO

LD S

POT

OF

THE

COSM

IC M

ICRO

WAV

E BA

CKGR

OU

ND,

” BY

ISTV

ÁN

SZA

PUD

I ET

AL.

, IN

MO

NTH

LY N

OTI

CES

OF

THE

ROYA

L A

STRO

NO

MIC

AL

SOCI

ETY,

VO

L. 4

50, N

O. 1

; JU

NE

11, 2

015

(ins

et);

Illu

stra

tion

by

Moo

nrun

ner D

esig

n

Космология

w w w.sci-ru.org [10]октябрь2016|Вмиренауkи 11

мы взялись проверить, насколько часто положе-ние структурных особенностей карты анизотро-пии (областей повышенной ипониженной темпе-ратуры, нонетак ярко выраженных, как холод-ноепятно)коррелируетсположениямископленийгалактик ис открытыми ранее небольшими вой-дами.Статистическийанализвыявил,чтотакаякорреляция встречается довольно часто. Хотя ниодна изисследованных структурных особенно-стей невсостоянии объяснить большое холодноепятно, однако наличие корреляций наболее мел-кихмасштабахпобудилоисследователейработатьдальше.

Была составлена программа наблюдений длямеждународноготелескопа(Канада—Франция—Гавайи), входе которой было снято несколько не-больших полей, совпадающих сположением хо-лодного пятна, ипосчитано количество галактиквних. Увы, никаких указаний наналичие сверх-войда вместе, предсказанном группой Рудника,обнаружено небыло. Существование сверхвойданарасстояниях свыше 3млрд световых лет былоисключено, что подтвердилось отрицательнымирезультатамигруппыМалколмаБремера(MalcolmBremer)изБристольскогоуниверситета.

Втожевремястатистическаязначимостьпред-сказаний Рудника была заново вычислена иока-заласьниже,чемполагалираньше.Другимисло-вами, встал вопрос оцелесообразности попытокобъяснения холодного пятна спомощью инте-грального эффекта Сакса— Вольфа. Нонет худабездобра:быланайденаподсказка,какможноис-катьсверхвойдсовсемрядомснами.

Какнипарадоксальноэтозвучит,поискгигант-ской области пустоты вблизи нас оказался слож-нее.Деловтом,чточемдальшенаблюдаемоеполе,тем больше его реальный физический размер и,следовательно, тем аккуратнее нужно подсчиты-вать количество галактик вэтом поле. Близко жекнам,вменьшихобъемах,статистическаязначи-мостьнизка.Такимобразом,вероятностьтого,чтомалоечислоблизкихгалактикуказываетнанали-чие сверхвойда, составляет 75%. Это неслишкомвысокая вероятность, чтобы утверждать что-тонаверняка.Необходимоиметьучасткинебагораз-добольшейплощади,охватывающиевсовокупно-стифактическивсехолодноепятно.Доступныете-лескопынедавалинужногоохвата.

Счастливый случайЧерезнескольколетвнашераспоряжениепопалиновые данные. Вто время я распрощался сосво-ими коллегами Гранеттом иНейринком, сГавай-ским астрономическим институтом ибыл занятработойнадновымтелескопомPS1,первойобсер-ваториейОбзорногопанорамноготелескопаиСи-стемы быстрого реагирования (Pan-STARRS). Мывозлагалибольшиенадеждынаэтоттелескоп.

Вобсерваториибылаустановленасамаябольшаявмирекамерасразрешениемв1,4гигапикселя.Те-лескопрасположеннавысотеоколо3кмнадуров-нем моря навулкане Халеакала наострове Мауи.Вмае2010г.входесотрудничестварядауниверси-тетов мы сколлегами начали картирование трехчетвертей неба телескопом PS1. Мне припомина-ется разговор сНиком Кайзером (Nick Kaiser), ко-торый позже стал главой телескопа PanSTARRS,отом, что впервую очередь необходимо провестинаблюдения области холодного пятна,— но, хотяположительного решения ине было принято, об-ласть холодного пятна попала взону наблюдений,которые должны были вестись первые нескольколет. Вожидании данных, которые начали понем-ногупоступать,параллельнопродолжалисьпоискисверхвойда вновых картах анизотропии реликто-вого излучения, полученных врезультате работыкосмической миссии Planck, атакже независимопокаталогам инфракрасных изображений галак-тик,полученныхспомощьюГлубокогоинфракрас-ногообзора(WISE).ВместесостудентомАндрашемКовачем(Andr sKov cs)мыначалиработунадэти-миданными.Вчастности,проводилисьпоискиоб-ластей, содержащих небольшое число галактик,вкаталоге WISE — иодна изнайденных областейпорасположениюсовпаласхолоднымпятном.

КовачвстречалсясомнойнаГавайяхнесколькораз.ЛетомяпобывалвстолицеВенгрии,гдеКовачучилсявУниверситетеим.ЛорандаЭтвеша.Кро-метого,мыподдерживалиежедневныетелемостыивследствие 12-часовой задержки между Гонолу-лу иБудапештом наши диалоги часто продолжа-лись далеко заполночь поевропейскомувремени.ВовремяоднойизтакихсессийяпопросилКова-чапоискатьсамуюбольшуюобластьнизкойплот-ностигалактик,другимисловами,самыйбольшойвойд,вWISE-каталогегалактик.СпустянесколькоднейКовачприслалпоэлектроннойпочтеписьмосизображениямиикоординатамисамыхбольшихвойдовкаталога.Читаяегосообщение,ясразужепонял, что положение одной изтаких пустот со-впалособластьюхолодногопятнанакартеанизо-тропииреликтовогоизлучения.Доэтогомоментая неговорил Ковачу освоем поиске связей сверх-войда ихолодного пятна, иоткрытие стало чрез-вычайно воодушевляющим, потому что исследо-ванияКовачаоказалисьсовершеннонепредвзяты-ми—онненадеялсяотыскатьвойдвопределенной«желаемой» области. Поскольку все галактикиWISE-каталога расположены вдостаточной бли-зостиотнас,этобылоуказаниемнато,чтосверх-войд,бытьможет,следуетискатьгде-торядом.

Открытие ипервоначальные подсказки раз-деляли годы работы. Использовались данныеWISE, Pan-STARRS ипроекта двухмикронного Об-зора всего неба (2MASS), нопрежде всего нужнобыло определить расстояния догалактик. Один

Космология

12 Вмиренауkи|[10]октябрь2016

изспособов определения реального физическо-го расстояния донекоторого объекта— измеритькрасноесмещениеэтогообъекта,тоестьсмещениеэлектромагнитногоспектраизлучениявкраснуюсторону.Чемдальшерасположенагалактика,тембыстрее она удаляется отнас итем больше вели-чинаеекрасногосмещения.Несмотрянаточтоис-следователинемоглиизмеритькрасноесмещениеинтересующих их галактик, они смогли оценитьегоприблизительно,анализируяцветагалактик,сравнивая их сцветами галактик без красногосмещенияииспользуяразныецветовыефильтры.Наконец вобласти холодного пятна все галакти-кибылиснабжены оценкамирасстояний, тоестьбыла построена трехмерная карта этой области.Далее была сделана серия срезов— наборов пло-скихкартинок,каждаяизкоторыхсоответствова-ла некоторому расстоянию донаблюдателя. Пер-вый набор изображений выглядел примерно каквертикальные ломтики яблока, вцентре которо-го скрывался сверхвойд, который имел пример-носферическуюформу.Оказывается,гигантскаяпустая область скрывалась совсем близко отнас,нарасстоянииоколо3млрдсветовыхлет,иимен-нопоэтомуеебылотактруднообнаружить.Иссле-дование статистики данных показало, что суще-ствованиесверхвойдаподтверждаетсявподавля-ющем большинстве случаев. Другими словами,вместе расположения холодного пятна накартеанизотропии реликтового излучения сбольшойвероятностью существует огромная пустая об-ласть.Этаобластьдействительногигантская—еепоперечныйразмерсоставляетоколо1,8млрдсве-товыхлет.Возможно,этосамаябольшаяструкту-ра, найденная учеными вкосмосе. Иобласть этадовольноредка—пооценкам,ихдолжнобытьвсе-гонескольковпределахвидимойВселенной.

О природе холодного пятнаИтак,помнениюотдельныхисследователей,втомчисле иавтора этой статьи, искомый сверхвойднайден. Скопления галактик ивойды галактиче-ских масштабов коррелируют спятнами повы-шеннойипониженнойяркостинакартеанизотро-пии реликтового излучения. Предположительнонайденный сверхвойд совпадает всвоем положе-ниисбольшимхолоднымпятномнакартеанизо-тропии. Решена ли задача? Несовсем, даже присамых оптимистических ожиданиях. Даже та-кое пространственное совпадение недоказыва-ет,чтооднообусловливаетдругое.Возможно,чтосовпадение случайно. Вероятность случайности,пооценкам автора статьи, мала: частота собы-тия, что сверхвойд послужил причиной появле-нияхолодногопятна,в20тыс.разбольше,чемча-стотаслучайногосовпаденияихположений.Естьиеще проблема, гораздо более серьезная. Совпа-дения положений недостаточно, важен иразмер

сверхвойда. Для того чтобы объяснить понижен-ную температуру холодного пятна относитель-но средней анизотропии, размер сверхвойда дол-жен быть даже больше, чем это предварительнооценено, вдва, абыть может даже вчетыре раза.Неопределенность настолько велика, что многиекосмологи еще более уверенно приписывают слу-чайностисовпадениеположенийсверхвойдаихо-лодногопятна.Звучатпредложенияискатьдругиеобъяснения,напримерспомощьюимитацииинте-гральногоэффектаСакса—Вольфаменьшимпро-тивожидаемогоизлучениемгалактик.Крометого,хотя, помоему мнению, наблюдения доказываютсуществование сверхвойда, все равно необходи-моболееточноопределитьегопространственнуюгеометрию. Если, например, сверхвойд вытянутпонаправлениюлучазренияилинесколькомень-шихвойдоввпроекцииимитируютодинбольшой(конструкция типа снеговика), топроисхождениехолодногопятнастановитсяобъяснитьлегче.

Трудностей много. Необходимо больше данных,чтобы сказать что-то определенное. Уже плани-руются новые наблюдения наPS1 полного неба,ане только начальной частичной области. Боль-шееколичествонаблюдательныхданныхпозволитуменьшитьнеопределенностьрезультата.

Кроме того, б льшая статистика данных помо-жет выявить расхождения внаблюдениях итео-рии,котораяпредсказываетразмерыиформыта-ких сверхвойдов. Это может оказаться очень ин-тересным для проверки альтернативных теорийгравитации, которые расходятся стеорией от-носительности насверхбольших масштабах,—сэтой точки зрения сверхвойд представляет со-бойуникальныйобъектдляисследованияальтер-нативныхгравитационныхтеорий.

В любом случае открытие такого не имеющегоаналогов объекта, как гигантская область пусто-ты,поможеткосмологамлучшепонятькрупномас-штабную структуру Вселенной, атакже, возмож-но,прольетсветнанерешеннуюпроблемусоставатемной энергии, предоставит шанс вскрыть глу-бинные свойства гравитации. Вближайшие годыпланируютсяновыенаблюденияиновыеисследо-ваниясверхвойдадляпониманиямира,вкотороммыживем.

Перевод: О.С. Сажина

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ

Старкман Г., Шварц Д. Хорошо ли настроена Вселенная? //

ВМН,№11,2005.

DetectionofaSupervoidAlignedwiththeColdSpotoftheCosmic

Microwave Background. Istv n Szapudi et al. in Monthly Notices

oftheRoyalAstronomicalSociety,Vol.450,No.1,pages288–294;

June11,2015.