Получено изображение «космической паутины» – впервые в истории

Несмотря на то, что Вселенная кажется хаотичной, у нее есть структура, состоящая из массивных нитей галактик, разделенных между собой гигантскими пустотами. Эта «космическая паутина», как называют ее ученые, подобно рекам, питающим океаны, потоками газа простирается по всему космосу. Увидеть эти потоки, однако, практически невозможно –настолько они слабые. В то время как астрономы знали о космической паутине на протяжении десятилетий и даже мельком видели свечение ее нитей вокруг ярких космических объектов, называемых квазарами, эти протяженные структуры оставались невидимыми для широкой общественности. К счастью, до недавнего времени. На снимках, недавно полученных с помощью Keck Cosmic Web Imager, или KCWI можно увидеть свет, излучаемый самой большой и скрытой частью космической паутины: перекрещивающимися тонкими нитями в пространстве между галактиками.

Обширная, по большей части невидимая сеть нитей, которая охватывает и соединяет Вселенную, наконец-то была замечена мерцающей в темноте.

Хотя во Вселенной существуют огромные расстояния между объектами, это не серия изолированных островов, как может показаться на первый взгляд. Современные модели Вселенной предполагают, что существует обширная космическая паутина темной материи, нити которой простираются на огромные расстояния, соединяя галактику с галактикой, скопление с скоплением.

В поисках «космической паутины»

Термин «космическая паутина» была введен в 1996 году Ричардом Бондом из Университета Торонто для описания запутанной структуры Вселенной, состоящей из сгустков и нитей, естественным образом образованных темной материей (и подвергшейся воздействию гравитации). Сегодня исследователи полагают, что «космическая паутина» связана с темной материей (невидимой субстанцией, составляющей львиную долю массы Вселенной).

Первым убедительным доказательством существования «космической паутины» стало создание карты темной материи на небольшом участке неба. Чтобы лучше разобраться в происходящем отметим, что около 88% массы Вселенной не светится а потому невидимо для телескопов. И хотя никто не знает, что именно представляет собой темная материя, ее гравитационное притяжение играет важную роль в формировании Вселенной.

Карта космической паутины, созданная в 2014 году. Окраска отражает плотность газообразного водорода, прослеживающего космическую паутину, причем более яркие цвета отражают более высокую плотность.

Больше по теме: В космической паутине обнаружены миллиарды карликовых галактик

Так, в 2002 году ученые из Института астрономии в Эдинбурге изучали одну из крупнейших космических структур – сверхскопление Abell 901 диаметром 10 миллионов световых лет и с помощью метода гравитационного линзирования составили карту темной материи. Результаты работы опубликованы в журнале Astrophysical Journal.

Тщательно изучив выбранную область и проанализировав изображения более чем 50 000 галактик за пределами сверхскопления, исследователи пришли к выводу, что нитевидная структура или же «космическая паутина» действительно существует, – пишет Science.

3D-карта галактических нитей

Следующим важным шагом в изучении нитевидной структуры Вселенной стала самая большая и подробная 3D-карта Вселенной, разработанная в 2021 году в рамках проекта DESI. На ней можно увидеть гигантскую космическую паутину из галактик на расстоянии миллиардов световых лет.

И это – только начало. К моменту завершения своей основной миссии в 2026 году исследователи внесут в каталог более 35 миллионов галактик, удаленных на расстояние до 11 миллиардов световых лет.

На изображении показан трехмерный срез сети нитей газообразного водорода, пересекающих пространство между галактиками.

«В распределении галактик на трехмерной карте присутствуют огромные скопления, нити и пустоты. Это самые большие сооружения во Вселенной. Но внутри них вы находите отпечаток самой ранней Вселенной и историю ее расширения,» – объясняют исследователи. И поскольку крупномасштабная структура космоса теперь хорошо видна, нетрудно понять, почему ее часто называют космической паутиной.

Еще больше интересных статей о последних открытиях в области астрономии и космологии читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен – там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!

Изображение «космической паутины»

До публикации нового открытия исследователи едва ли могли разглядеть галактические нити в космической темноте. Однако теперь, по словам астрофизика Кристофера Мартина из Калифорнийского технологического института, все изменилось. А ведь большая часть космической паутины лежит на пустынной территории между галактиками, ее трудно представить (и тем более увидеть).

Отметим, что в 2015 году Мартин и его коллеги нашли «неопровержимые доказательства» так называемой модели формирования галактик с холодным потоком: длинные нити, направляющие газ в большие галактики. Для этой работы они использовали прототип прибора KCWI, Cosmic Web Imager, расположенный в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института.

Слабое свечение галактических нитей наконец удалось запечатлеть

Космическая паутина очерчивает архитектуру нашей Вселенной. Это место, где находится большая часть нормальной, или барионной материи в нашей галактике и непосредственно прослеживает местоположение темной материи, – говорит Мартин.

Результаты нового исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy 28 сентября, позволили нам наконец увидеть структуру Вселенной. По его словам авторов научной работы, полученное детальное изображение предоставит астрономам недостающую информацию, необходимую для понимания деталей того, как формируются и эволюционируют галактики. Новое открытие также может помочь ученым составить детальную карту распределения темной материи во Вселенной.

Это интересно: Похожа ли Вселенная на мозг?

Линия сигнатуры Лайман-альфа

Лучший способ непосредственно увидеть космическую паутину – это уловить сигнатуры ее основного компонента, газообразного водорода, с помощью спектрометров, распределяющих свет на множество длин волн (спектр). Идентифицировать газообразный водород в этих спектрах можно по его самой сильной линии излучения – линии Лайман-альфа.

Именно эту сигнатуру и обнаружили авторы нового исследования в ходе работы с помощью KCWI – точного спектрометра. Из-за расширения Вселенной, которое распространяет свет на более длинные волны, газ, расположенный дальше от Земли, имеет более красную линию сигнатуры Лайман-альфа.

Линия Лайман-альфа (англ. Lyman-alpha line, Ly-α) — спектральная линия водорода (или, в общем случае, водородоподобного атома) в серии Лаймана.

Сложив двумерные изображения, полученные KCWI на каждой длине волны света, можно создать трехмерную (3D) карту излучения космической паутины. Чтобы сделать это исследователи наблюдали область пространства на расстоянии от 10 до 12 миллиардов световых лет.

"По сути, мы создаем 3D-карту космической паутины. Мы берем спектры для каждой точки изображения в диапазоне длин волн, и длины волн преобразуются в расстояние", – объясняет Мартин.

Но есть и проблемы. Одна из них заключается в том, что тусклый свет космической паутины можно спутать с окружающим фоновым светом, включая свечение атмосферы и даже свет нашей собственной галактики. Чтобы решить эту проблему, исследователи придумали новую стратегию, позволяющую вычесть этот фоновый свет из интересующих изображений.

Мы смотрим на два разных участка неба, A и B. Структуры нитей накала будут находиться на разных расстояниях в двух направлениях на участках, поэтому можно взять фоновый свет с изображения B и вычесть его из A, и наоборот, оставив только структуры. Мы провели детальное моделирование этого в 2019 году, чтобы убедиться в том, что метод сработает, – пишут исследователи.

Галактики в нашей Вселенной конденсируются из клубящихся газовых облаков. Затем этот газ конденсируется в звезды, которые освещают галактики, делая их видимыми для телескопов в диапазоне длин волн света. Астрономы полагают, что холодные темные нити в глубоком космосе прокладывают себе путь к галактикам, снабжая их газом, который является топливом для образования новых звезд.

В результате у астрономов теперь есть «совершенно новый способ изучения Вселенной». Более того, отныне ученые могут заглянуть еще дальше в прошлое, так как KCWI поможет узнать о более отдаленных нитях и эпохе, когда образовались первые звезды и черные дыры.

Не пропустите: Ученые создают самую подробную карту вещества во Вселенной. Почему это важно?

Говоря о новых способах изучения Вселенной, Мартин объединился с художником Мэттом Шумейкером, чтобы перевести данные из космической паутины в музыку для проекта, посвященного жизни Майкла Андерсона – погибшего астронавта в результате крушения космического шаттла «Колумбия» в 2003 году. Послушать новое произведение можно здесь.