Най-големите обекти във Вселената: Гигантските дъги, които могат да замажат всичко в космоса (СНИМКА)

Откриването на гигантски суперкупове от галактики е предизвикателство за самото ни разбиране за Вселената.

През 2021 г. британската докторантка Алексия Лопес анализира светлината, идваща от далечни квазари, когато прави изумително откритие.

Тя открива гигантска, почти симетрична дъга от галактики на 9,3 милиарда светлинни години в съзвездието Воловар. Обхващайки 3,3 милиарда светлинни години в диаметър, структурата е огромна – 1/15 от радиуса на наблюдаваната Вселена. Ако можехме да го видим от Земята, щеше да е с размерите на 35 пълни луни, показани в небето.

Известна като Гигантската дъга, структурата поставя под въпрос някои от основните предположения за Вселената. Според стандартния модел на космологията – теорията, на която се основава нашето разбиране за Вселената – материята трябва да бъде повече или по-малко равномерно разпределена в пространството. Когато учените разглеждат Вселената в много големи мащаби, не трябва да има забележими нередности; всичко трябва да изглежда еднакво във всяка посока.

И все пак Гигантската арка не е единственият пример от този вид. Тези гигантски структури сега принуждават учените да преоценят теорията си за това как се е развила Вселената.

Лопес учила за магистърска степен в Университета на Централен Ланкашър в Обединеното кралство, когато нейният ръководител предложил използването на нов метод за анализиране на широкомащабни структури във Вселената. Тя използвала квазари – далечни галактики, които излъчват изключително количество светлина – за да търси признаци на йонизиран магнезий, сигурен знак за газови облаци, заобикалящи галактика.

Когато светлината преминава през този йонизиран магнезий, определени честоти се абсорбират, оставяйки уникални светлинни „подписи“, които астрономите могат да открият.

„Разгледах известни и документирани галактически клъстери и след това започнах да чертая как изглеждат тези области в метода Магнезий II“, казва Лопес. „Един клъстер, който погледнах, беше много малък, но когато го начертах в магнезий II, имаше тази интересна плътна ивица на магнезиева абсорбция в зрителното поле. Ето как в крайна сметка го открих. Това беше щастлив случай и бях просто късметлийка, че именно аз го намерих.“

Това, което „щастливият инцидент“ на Лопес разкрива, е удивително. Когато погледнете към съзвездието Воловар, група от между 45 до 50 газови облака, всеки свързан с поне една галактика, изглежда се подрежда в дъга с диаметър 3,3 милиарда светлинни години. Това е значителен размер, като се има предвид, че видимата Вселена е широка 94 милиарда светлинни години.

Според статията на Лопес, е изключително малко вероятно (вероятност от само 0,0003 процента) толкова голяма структура да е възникнала случайно. Това предполага, че може да се е образувало, поради нещо в естествената физика на Вселената, което в момента не отчитаме. Нейните открития директно оспорват централен аспект на стандартния космологичен модел – най-доброто обяснение, което имаме за това как Вселената е започнала и се е развила.

Този аспект, известен като космологичен принцип, гласи, че в голям мащаб Вселената трябва да изглежда приблизително еднакво навсякъде, независимо от вашата позиция или посоката, в която гледате. Не трябва да има гигантски структури, по-скоро пространството трябва да е гладко и равномерно. Това е удобно, тъй като позволява на изследователите да правят заключения за цялата Вселена въз основа само на това, което виждаме от нашия ъгъл. Това схващане се счита за достоверно, тъй като след Големия взрив Вселената се разширява навън, изхвърляйки материята във всички посоки едновременно.

Има и друг проблем. Според стандартния модел структури като Гигантската дъга просто не биха имали време да се образуват.

„Настоящата идея за това как структурите се формират във Вселената е чрез процес, известен като гравитационна нестабилност“, казва Субир Саркар, професор по теоретична физика в Оксфордския университет.

Около милион години след Големия взрив, когато Вселената се разширява, малки колебания в плътността довеждат до слепване на частици материя. В продължение на милиарди години привличането на гравитацията в крайна сметка е накарало тези струпвания да образуват звезди и галактики. Има обаче ограничение на размера на този процес. Всичко, което е по-голямо от около 1,2 милиарда светлинни години в диаметър, просто не би имало достатъчно време да се образува.

„За да образувате структури, имате нужда частиците да се събират близо една до друга, така че да може да възникне гравитационен колапс“, казва Саркар. „Тези частици ще трябва да се придвижат извън структурата, за да стигнат до там. Така че, ако вашата структура е с диаметър 500 милиона светлинни години, светлината ще отнеме 500 милиона години, за да се премести от единия край до другия. Въпреки това, частиците, за които говорим се движат много по-бавно от светлината, така че ще са необходими милиарди години, за да се създаде структура с такъв размер, а Вселената съществува само от около 14 милиарда години.“

Гигантската дъга, открита от Лопес, не е единствената широкомащабна структура.

Съществува и „Великата стена“ (наричана още CfA2 Великата стена) от галактики, открита през 1989 г. от Маргарет Гелър и Джон Хъхра. Стената е дълга приблизително 500 милиона светлинни години, широка 300 милиона светлинни години и дебела 15 милиона светлинни години.

Още по-голяма е Великата стена на Слоун – космическа структура, образувана от гигантска стена от галактики, открита през 2003 г. от Джей Ричард Гот III и Марио Юрич и техните колеги от Принстънския университет. Тази стена е с дължина близо 1,5 милиарда светлинни години.

През последното десетилетие откриването на тези гиганти се ускорява още повече. През 2014 г. учените откриха суперкупа Laniakea, колекция от галактики, в които се намира нашият собствен Млечен път. Lanaikea е с диаметър 520 милиона светлинни години и съдържа приблизително масата на 100 милиона милиарда слънца. През 2016 г. беше открита и Великата стена на BOSS – комплекс от галактики с диаметър над един милиард светлинни години. BOSS се състои от 830 отделни галактики, които гравитацията е изтеглила в четири суперкупа. Галактиките са свързани с дълги нишки от горещ газ. През 2020 г. стената на Южния полюс, която се простира на 1,4 милиарда светлинни години, също беше добавена към списъка.

Въпреки това настоящият рекордьор за най-голямата от тези структури е Великата стена Херкулес-Корона Бореалис. Открита през 2013 г., тя обхваща 10 милиарда светлинни години – повече от една десета от размера на видимата Вселена.

„Ние го изчислихме и след това осъзнахме, „О, това е най-голямото нещо във Вселената“, казва Джон Хакила, професор по физика и астрономия в Университета на Алабама в Хънтсвил.

Безпокойството им било основателно. И Хакила, и Лопес извършват набор от статистически тестове, за да се опитат да докажат, че резултатите не могат да бъдат случайни. За Giant Arc резултатите са с ниво на сигурност от 99,9997%. В научните изследвания златният стандарт за статистическа значимост е известен като 5-сигма, което се равнява на вероятност от около 1 на 3,5 милиона резултатите да са случайни. Гигантската дъга достигна значимост от 4,5 сигма, така че все още има възможност структурата да е случайно подреждане на звезди.

„Очите ни са много добри във виждането на модели. Може да видите инициали в облаците, но това не е истинска структура, умът ви налага структура върху това, което всъщност е произволно“, обяснява Саркар. „Не мисля обаче, че е такъв случаят в тази ситуация, мисля, че това е истинска физическа верига от суперкупове.“

Ако се докаже съществуването на повече структури като Гигантската дъга и Великата стена на Херкулес-Корона Бореалис, астрономите ще бъдат принудени да пренапишат – или поне да ревизират – стандартния модел на космологията.

Това не е първият път, когато моделът ще трябва да бъде адаптиран. През 1933 г. ученият от Калифорнийския технологичен институт Фриц Цвики измерва масата на куп галактики и установява, че числото е по-малко от очакваното. Масата всъщност била толкова малка, че галактиките трябвало да се разлетят и да избягат от гравитационното привличане на клъстера. Следователно нещо друго трябва да държи куповете от галактики заедно.

Това „нещо“ е тъмна материя, мистериозна субстанция, за която се смята, че съставлява 27% от Вселената. След това през 1998 г. моделът бива допълнително адаптиран, за да включва тъмна енергия, след като два независими екипа от астрономи измерват разширяването на Вселената и установяват, че то се ускорява.

Изследване на пространството и времето (LSST), което е 10-годишно планирано изследване на южното небе, може да предостави на астрономите безпрецедентна гледка към Вселената.

„Необходимо е много, за да се направи промяна в парадигмата, особено когато хората инвестират живота и кариерата си в това, но в крайна сметка, когато говорим за наука трябва да видим кой е прав“, казва Саркар.

Превод и редакция: Венета Николова