Изображение, которое вы видите, не является дырой во Вселенной, а существующие космические пустоты вовсе не дыроподобны.
Ключевые выводы
- В течение многих лет циркулировало утверждение, что во Вселенной есть дыра шириной в миллиард световых лет, из которой не исходят ни галактики, ни звезды, ни свет любого типа.
- Картинка, которая обычно сопровождает его, вводит в заблуждение, показывая темное облако газа и пыли всего в нескольких сотнях световых лет от нас, а не крупномасштабную космическую структуру.
- Но само утверждение неверно; даже в самых глубоких недрах самых больших космических пустот все еще остается много материи, а также звезды, галактики и многочисленные электромагнитные сигнатуры.
Где-то далеко, если верить тому, что читаешь, во Вселенной есть дыра. Есть такая большая и пустая область космоса, миллиард световых лет в поперечнике, что в ней вообще ничего нет. Нет материи любого типа, нормальной или темной, нет звезд, галактик, плазмы, газа, пыли, черных дыр или чего-то еще. Радиации там тоже нет. Это пример действительно пустого пространства, и его существование было визуально зафиксировано нашими лучшими телескопами.
По крайней мере, так говорят некоторые люди в фотографическом меме, который годами распространяется по Интернету и отказывается умирать. Однако с научной точки зрения в этих утверждениях нет ничего истинного. Во Вселенной нет дыры; самое близкое, что у нас есть, - это области с низкой плотностью, известные как космические пустоты, которые все еще содержат материю. Более того, это изображение вовсе не пустота и не дыра, а облако газа. Давайте проведем детективную работу, чтобы показать вам, что происходит на самом деле.
Темная туманность Барнард 68, известная сейчас как молекулярное облако, называемое глобулой Бока, имеет температуру менее 20 К. Она все еще довольно теплая по сравнению с температурой космического микроволнового фона. однако, и это определенно не дыра во Вселенной.
Первое, что вы должны заметить, взглянув на это изображение, это то, что точки света, которые вы видите здесь, многочисленны, имеют разную яркость и бывают разных цветов. Более яркие имеют дифракционные всплески, что указывает на то, что они точечные (а не протяженные) источники. И черное облако, которое появляется, явно находится на переднем плане всех из них, блокируя весь фоновый свет в центре, но только часть света на окраинах, пропуская часть света.
Эти источники света не могут быть объектами, удаленными от нас на миллиарды световых лет; это звезды внутри нашей собственной галактики Млечный Путь, размер которой составляет немногим более 100 000 световых лет. Следовательно, этот блокирующий свет объект должен быть ближе, чем эти звезды, и должен быть относительно небольшим, если он так близко. Даже если бы существовали гигантские, огромные пустоты, в которых вообще не было бы звезд и галактик, эта структура никак не могла бы быть одной из них.
Пыльные области, в которые не могут проникнуть телескопы видимого света, видны в инфракрасных изображениях таких телескопов, как VLT со SPHERE или, как показано здесь, с помощью прибора ESO HAWK-I. Инфракрасное излучение впечатляет, демонстрируя места нового и будущего звездообразования, где плотность пыли, блокирующей видимый свет, наиболее высока. То, что кажется дырой или пустотой в видимом свете, можно увидеть тем, чем оно является на самом деле: материей переднего плана, которая просто непрозрачна для определенных длин волн.
На самом деле это просто облако газа и пыли, которое находится всего в 500 световых годах от нас: темная туманность, известная как Барнард 68. Более 100 лет назад астроном Э. Э. Барнард исследовал ночное небо, ища области космоса, где был недостаток света, вырисовывающийся на устойчивом фоне звезд Млечного Пути. Эти «темные туманности», как их первоначально называли, теперь известны как молекулярные облака нейтрального газа, а иногда их также называют глобулами Бока.
Тот, который мы здесь рассматриваем, Барнард 68, относительно мал и находится поблизости.
- Он расположен всего в 500 световых годах от нас.
- Он чрезвычайно мал по массе, всего в два раза больше массы нашего Солнца.
- И совсем небольшого размера, диаметром примерно полсветового года.
Это правда, что, насколько мы можем судить, внутри него нет звезд, но за ним много звезд, которые обнаруживаются, как только мы смотрим на этот участок неба в более длинных волнах света, которые частично прозрачны для этих «темных туманностей».
Видимое (слева) и инфракрасное (справа) изображения богатой пылью глобулы Бока, Барнард 68. Инфракрасный свет почти не блокируется, так как пылинки меньшего размера слишком малы, чтобы взаимодействуют с длинноволновым светом. На более длинных волнах можно увидеть больше Вселенной за пределами пыли, блокирующей свет.
Выше вы можете видеть изображение Барнарда 68, той же самой туманности, как в видимом свете (слева), так и в инфракрасной части (справа) электромагнитного спектра. Частицы, из которых состоят эти темные туманности, имеют конечный размер, и этот размер очень хорошо поглощает видимый свет. Но более длинные волны света, такие как инфракрасный свет, могут проходить прямо через них. На составном инфракрасном изображении выше вы можете ясно видеть, что это вовсе не пустота и не дыра во Вселенной, а просто облако газа, через которое может легко проходить свет. (Если вы готовы посмотреть на это как следует.)
Глобулы Бока широко распространены во всех галактиках, богатых газом и пылью, и их можно найти во многих разных местах нашего Млечного Пути. Это включает в себя:
- темные облака в плоскости галактики,
- блокирующие свет сгустки материи, найденные среди областей звездообразования и будущих звездообразования,
- блокирующие свет остатки вещества, выбрасываемого массивными звездами,
- пылевой материал массивных звезд, подвергающихся пульсациям,
- а также катаклизмы в конце звездных жизненных циклов, в том числе внутри планетарных туманностей и остатков сверхновых.
Туманность Орла, известная своим продолжающимся звездообразованием, содержит большое количество глобул Бока, или темных туманностей, которые еще не испарились и работают над тем, чтобы коллапсировать и образовывать новые звезды, прежде чем они полностью исчезнут. В то время как внешняя среда этих глобул может быть очень горячей, внутренняя часть может быть защищена от радиации и действительно достигать очень низких температур.
Итак, если это то, что на самом деле показывает это изображение, как насчет идеи, стоящей за дико неуместным текстом, который иногда сопровождает это
Ну, во Вселенной действительно есть пустоты, но они, вероятно, не такие, как вы думаете. Если бы вы взяли Вселенную такой, какой она была, когда она началась - как почти идеально однородное море нормальной материи, темной материи и излучения - вы были бы вынуждены задаться вопросом, как она превратилась во Вселенную, которую мы видим сегодня. Ответ, конечно же, предполагает:
- гравитационное притяжение,
- расширение Вселенной,
- гравитационный коллапс,
- звездообразование,
- отзыв от звездообразования о материале, из которого активно формируются звезды,
- включая радиационное давление и частицы ветра,
- и время.
В то время как паутина темной материи (фиолетовая, слева) сама по себе определяет формирование космической структуры, обратная связь от обычной материи (красная, справа) может серьезно повлиять на галактические масштабы. И темная материя, и нормальная материя в правильном соотношении необходимы для объяснения наблюдаемой нами Вселенной. Нейтрино распространены повсеместно, но стандартные легкие нейтрино не могут составлять большую часть (или даже значительную часть) темной материи.
Эти ингредиенты, подчиненные законам физики за последние 13,8 миллиардов лет нашей космической истории, привели к формированию обширной и сложной космической сети. Гравитационное притяжение - это неуправляемый процесс, при котором сверхплотные области не только растут, но и растут быстрее по мере того, как они накапливают все больше и больше материи. У областей с более низкой плотностью вокруг них, даже на довольно большом расстоянии, нет шансов.
По мере роста областей с повышенной плотностью окружающие области с низкой плотностью, со средней плотностью или даже с плотностью выше средней (но менее «выше средней», чем самая плотная близлежащая область) будут терять их материя более плотным. Этот процесс «отдачи материи в более плотное окружение» очень эффективен, но это не безудержный процесс, как гравитационный коллапс. Вместо этого, когда вы отказываетесь от части своей материи и становитесь областью с пониженной плотностью, вы на самом деле расширяетесь быстрее, чем в среднем в космосе, что затрудняет опустошение оставшейся материи.
Это приводит к сети галактик, групп галактик, скоплений галактик и крупномасштабным структурным нитям с огромными космическими пустотами между ними.
Эволюция крупномасштабной структуры во Вселенной, от раннего однородного состояния до сгруппированной Вселенной, которую мы знаем сегодня. Тип и изобилие темной материи создали бы совершенно другую Вселенную, если бы мы изменили то, чем обладает наша Вселенная. Обратите внимание, что во всех случаях мелкомасштабная структура возникает до того, как возникает структура в самых больших масштабах, и что даже самые малоплотные области все еще содержат ненулевое количество материи.
Утверждение, как вы помните, состоит в том, что эти космические пустоты полностью лишены нормальной материи, темной материи и не излучают никакого обнаруживаемого излучения. Это правда?
Нисколько. Пустоты - это крупномасштабные области с низкой плотностью, но они вовсе не лишены материи. Более того, по мере того, как вы создаете космические пустоты во все больших и больших масштабах, становится все труднее опустошать все больше и больше их материи.
Во всех этих пустотах, хотя большие галактики внутри них могут быть редкостью, они существуют. Даже в самой глубокой и разреженной космической пустоте, которую мы когда-либо находили, в центре все еще находится большая галактика. Даже при отсутствии других обнаруживаемых галактик вокруг этой галактики, известной как MCG+01-02-015 - , имеются огромные свидетельства того, что за свою космическую историю она слилась с более мелкими галактиками. Несмотря на то, что мы не можем напрямую обнаружить эти меньшие окружающие галактики, у нас есть все основания полагать, что они существуют.
Галактика, показанная здесь в центре изображения, MCG+01-02-015, представляет собой спиральную галактику с перемычкой, расположенную внутри большой космической пустоты. Она настолько изолирована, что если бы человечество находилось в этой галактике вместо нашей и развивало астрономию с той же скоростью, мы бы не обнаружили первую галактику за пределами нашей до 1960-х годов.
Один из способов проверить, насколько пуста та или иная область пространства, заключается в изучении фонового звездного света, проходящего через нее, и определении того, сколько звездного света поглощается на различных длинах волн. Мы можем сделать это в зависимости от красного смещения, потому что нейтральные атомы поглощают свет, а водород является наиболее распространенным нейтральным атомом из всех. Он поглощает только при определенном наборе длин волн, поэтому присутствие (или отсутствие) водорода при определенном красном смещении либо создает (или не создает) линию поглощения, скажем, в континууме света от фонового квазара.
Мы видим во многих из этих космических пустот свидетельства существования нейтральных газовых облаков, которые менее плотны, чем глобулы Бока, о которых мы говорили ранее, но все же достаточно плотны, чтобы поглощать далекий свет звезд или свет квазаров.. Эти особенности поглощения говорят нам совершенно определенно, что эти пустоты действительно содержат вещество: обычно примерно 50% от средней космической плотности, но в самых больших космических масштабах никогда не меньше этого количества.
Это регионы с низкой плотностью, а не регионы, полностью лишенные всех типов материи.
Отдаленные источники света - от галактик, квазаров и даже космического микроволнового фона - должны проходить сквозь облака газа. Особенности поглощения, которые мы видим, позволяют нам измерить многие характеристики промежуточных газовых облаков, в том числе содержание легких элементов внутри и то, как быстро они коллапсировали, образуя космическую структуру, даже в очень малых космических масштабах.
Мы также видим доказательства присутствия темной материи, поскольку фоновый свет от звезд искажается комбинацией факторов. По мере формирования космической структуры и расширения Вселенной гравитационный потенциал внутри космической пустоты изменяется иначе, чем гравитационный потенциал в области средней плотности, что приводит к смещению света, проходящего через эту пустоту через интегральную Эффект Сакса-Вульфа.
Существует также связанный, но независимый эффект слабого гравитационного линзирования. Величина, на которую свет излучается, когда он достигает ваших глаз, зависит от суммы промежуточных масс между источником и наблюдателем. Несмотря на то, что области повышенной плотности больше всего влияют на искривление фонового света, области недостаточной плотности также могут искривлять пространство, но в противоположном направлении.
Этот эффект испытывает не только свет от отдельных точечных источников. Горячие и холодные пятна, появляющиеся на космическом микроволновом фоне, могут быть взаимно коррелированы с этими областями пониженной плотности как с помощью интегрированного эффекта Сакса-Вульфа, так и с помощью гравитационного линзирования..
Холодные флуктуации (показаны синим) в реликтовом излучении по своей природе не холоднее, а скорее представляют собой области, где гравитационное притяжение сильнее из-за большей плотности материи, в то время как горячие точки (красные) только горячее, потому что излучение в этой области живет в более мелком гравитационном колодце. Со временем сверхплотные области с гораздо большей вероятностью превратятся в звезды, галактики и скопления, в то время как менее плотные области будут делать это с меньшей вероятностью. Гравитационная плотность областей, через которые проходит свет, также может проявляться в реликтовом излучении, показывая нам, на что эти области действительно похожи.
Величина того, насколько холодными становятся эти холодные точки, учит нас чему-то очень важному: в этих пустотах вообще не может быть нулевой материи. Они могут иметь только часть плотности типичного региона, но что касается недостаточной плотности, то плотность около 0% от средней плотности не соответствует данным.
Тогда вы можете начать беспокоиться, почему мы не можем обнаружить от них никакого излучения или света любого типа. Должно быть правдой, что эти области будут излучать свет. Звезды, образовавшиеся в них, должны излучать видимый свет; молекулы водорода, которые переходят из спин-ориентированного состояния в анти-ориентированное состояние, должны испускать излучение с длиной волны 21 см; сжимающиеся облака газа должны излучать инфракрасное излучение.
Почему мы его не обнаруживаем? Все просто: наши телескопы на таких огромных космических расстояниях недостаточно чувствительны, чтобы улавливать фотоны такой низкой плотности. Вот почему мы, астрономы, так усердно работали над разработкой других методов прямого и косвенного измерения того, что присутствует в космосе. Улавливание испускаемого излучения является чрезвычайно ограничивающим предложением и не всегда является лучшим способом обнаружения.
Между огромными скоплениями и нитями Вселенной находятся большие космические пустоты, некоторые из которых могут достигать сотен миллионов световых лет в диаметре. Хотя некоторые пустоты больше по размеру, чем другие, занимая миллиарды световых лет и более, все они содержат материю на каком-то уровне. Даже пустота, в которой находится MCG+01-02-015, самая одинокая галактика во Вселенной, вероятно, содержит маленькие галактики с низкой поверхностной яркостью, которые находятся ниже предела обнаружения.
Абсолютно верно, что в миллиардах световых лет от нас в космосе есть огромные космические пустоты. Как правило, они могут простираться на сотни миллионов световых лет в диаметре, а некоторые из них могут простираться на миллиарды световых лет или даже на многие миллиарды световых лет. И еще одно верно: самые экстремальные из них не излучают заметного излучения.
Но это не потому, что в них нет материи; есть. Это не потому, что нет звезд, молекул газа или темной материи; все присутствуют. Вы просто не можете измерить их присутствие по испускаемому излучению; вам нужны другие методы и техники, которые откроют нам, что эти пустоты все еще содержат значительное количество материи. И вам определенно не следует путать эти космические пустоты, которые действительно могут иметь миллиард световых лет (или более) в поперечнике, с темными газовыми облаками и глобулами Бока, которые представляют собой небольшие соседние облака вещества, блокирующего свет. Вселенная и так достаточно увлекательна; давайте не поддадимся искушению приукрасить реальность собственными преувеличениями.