Плоский мир: как тёмная материя формирует локальную Вселенную и спасает Млечный Путь от столкновений

Согласно новому исследованию, структура локальной Вселенной обладает удивительной плоскостностью. Эта космическая особенность, возможно, защищает наш Млечный Путь от столкновений с множеством других массивных галактик-соседей — за исключением одной.

Десятилетиями астрономы наблюдали загадочное явление: наша ближайшая галактическая соседка, Андромеда, стремительно приближается к возможному столкновению с нашей галактикой, в то время как другие близкие галактики удаляются от нас. Новое исследование, опубликованное 27 января в журнале Nature Astronomy, предлагает ответ: огромный плоский «лист» тёмной материи увлекает эти галактики в глубины космоса.

Тёмная материя служит гравитационным каркасом, притягивая видимую материю. Как выяснили учёные, гравитационное притяжение этого обширного листа тёмной материи, расположенного чуть дальше Андромеды и Млечного Пути, перевешивает взаимное притяжение между нашей галактикой и её соседями.

«Наблюдаемое движение близлежащих галактик, а также совокупная масса Млечного Пути и Андромеды могут быть адекватно объяснены только с учётом такой „плоской“ массовой структуры», — заявили исследователи.

Плывя по течению

Движение галактик в расширяющейся ткани пространства-времени известно как поток Хаббла. Оно математически описывается законом Хаббла, названным в честь астронома Эдвина Хаббла, открывшего расширение Вселенной в 1920-х годах. Этот закон описывает наблюдаемый феномен: скорость удаления галактик от Земли пропорциональна их расстоянию до нас. Чем дальше галактика, тем быстрее она, как кажется, от нас убегает.

Тогда почему Андромеда, находящаяся в 2,5 миллионах световых лет, мчится к нам со скоростью 110 км/с, в то время как большинство других крупных соседних галактик следуют общему потоку? Удивительно, но эти удаляющиеся галактики, похоже, сопротивляются огромному гравитационному притяжению нашей Местной группы, включающей Млечный Путь, АндроМеду, галактику Треугольника и десятки гравитационно связанных карликовых галактик.

Эта загадка существует более полувека. Ещё в 1959 году астрономы Франц Кан и Лодевейк Вольтьер обнаружили свидетельства существования тёмной материи вокруг Андромеды и Млечного Пути. Они подсчитали, что для обращения вспять первоначального расширения, заданного Большим взрывом, этим двум галактикам потребовалась бы совокупная масса, значительно превышающая массу всех их звёзд вместе взятых.

Оказалось, что значительная часть массы Млечного Пути и Андромеды заключена в гало тёмной материи, окружающих каждую галактику и способствующих их быстрому сближению.

Однако это притяжение, судя по всему, не влияет на близлежащие галактики за пределами Местной группы. «Вещество там фактически удаляется от Млечного Пути быстрее, чем предсказывает поток Хаббла», — отметил в заявлении соавтор исследования, почётный директор Института астрофизики Общества Макса Планка (Германия) Саймон Уайт.

Моделируя Вселенную с нуля

Чтобы понять причину, исследователи построили свою собственную модель Вселенной. Они провели множество симуляций, изучая взаимодействия между тёмной материей, нашей Местной группой и удаляющимися галактиками вплоть до расстояния около 32 миллионов световых лет.

Моделирование начиналось с массовых распределений, наблюдаемых в реликтовом излучении — древнейшем свете Вселенной, испущенном, когда ей было всего 380 000 лет. Затем модель воспроизвела ключевые наблюдаемые характеристики близлежащих галактик: массу, положение и скорость Андромеды и Млечного Пути, а также положение и скорость 31 галактики сразу за пределами Местной группы.

Расчёты показали, что масса, расположенная чуть за пределами Местной группы (как тёмная, так и видимая материя), распределена в виде обширного плоского листа, простирающегося на десятки миллионов световых лет и выходящего за границы самой симуляции.

Поскольку близлежащие галактики погружены в этот уплощённый слой тёмной материи, любое гравитационное притяжение со стороны нашей Местной группы компенсируется притяжением более далёкой материи в этом листе, которая увлекает их прочь от нас.

«Если бы масса вокруг Местной группы была распределена примерно сферически, а не плоско, внешние галактики удалялись бы от нас медленнее, чем предсказывает закон Хаббла, поскольку их бы тормозило гравитационное притяжение Млечного Пути и Андромеды, — пояснил Саймон Уайт. — Вместо этого уплощённое распределение окружающей материи „вытягивает“ эти галактики наружу таким образом, что почти в точности компенсирует внутреннее притяжение [Млечного Пути и Андромеды]».

Не менее важно, что области выше и ниже этого листа практически пусты. Подобные разрежённые регионы, известные как Войды (космические пустоты), встречаются по всей Вселенной. Глубокие Местные Войды вокруг нашей Местной группы сформировались в областях, где начальная плотность Вселенной была немного ниже средней.

«В результате эти регионы расширялись быстрее среднего, и материя была „вытолкнута“ из них, — написал Уайт в электронном письме. — К настоящему времени эти области низкой плотности заполняют большую часть пространства, а гравитационные эффекты сконцентрировали большую часть их материи в „стенках“, которые их разделяют».

Примирение теории и наблюдений

Расположение войдов имеет ключевое значение. В этих пустых регионах любые существующие структуры падали бы в сторону Местной группы; любые галактики там действительно двигались бы к нам. Таким образом, мы не видим других объектов, несущихся к Млечному Пути, подобно Андромеде, просто потому, что там нет галактик, которые могли бы это делать.

В целом, при учёте обширного массового листа, симуляции точно смоделировали распределение близлежащих галактик и войдов. Это позволило согласовать результаты моделирования с астрономическими наблюдениями за движением галактик, а также с ведущей космологической моделью — ΛCDM (Лямбда-CDM), описывающей Вселенную с холодной тёмной материей и тёмной энергией.

«Мы исследуем все возможные локальные конфигурации ранней Вселенной, которые в итоге могли привести к формированию Местной группы, — сказал в отдельном заявлении ведущий автор исследования, космолог из Университета Гронингена (Нидерланды) Эвауд Вемпе. — Здорово, что у нас теперь есть модель, которая, с одной стороны, согласуется с текущей космологической моделью, а с другой — с динамикой нашей локальной среды».

Интересно, что исследователи также отмечают: галактики, расположенные на больших широтах дальше в космосе, как наблюдалось, «падают» в сторону плоского листа материи со скоростью в несколько сотен километров в секунду. Обнаружение дополнительных крупномасштабных структур, движущихся в сторону этого листа из направлений, соответствующих войдам, могло бы стать весомым дополнительным подтверждением результатов данного исследования.

Более того, эта работа открывает новое окно в понимание крупномасштабной структуры Вселенной в нашем космическом районе. Она подчёркивает, как тонкие начальные флуктуации плотности в молодой Вселенной, зафиксированные реликтовым излучением, через миллиарды лет эволюции под действием гравитации привели к формированию специфической «плоской» архитектуры, которая сейчас определяет судьбы и траектории галактик, включая нашу собственную.

Следующим шагом, по мнению учёных, станет поиск и картографирование других подобных уплощённых сверхскоплений тёмной материи вокруг иных галактических групп, что позволит проверить, является ли такая конфигурация уникальной для Местной группы или представляет собой распространённый элемент космической паутины.