Космические пустоты: как «ничто» помогает решить главные загадки Вселенной

Космические пустоты — колоссальные области пространства, практически лишённые материи, — долгое время оставались на периферии астрофизики. Сегодня они превращаются в один из главных инструментов для решения фундаментальных вопросов: что такое тёмная энергия, как работает гравитация на сверхбольших масштабах и почему измерения скорости расширения Вселенной никак не сходятся между собой.

Новые телескопы и суперкомпьютерные симуляции резко ускорили исследования в этой области. Растущее сообщество учёных специализируется именно на пустотах как уникальных космологических лабораториях — местах, где физические законы можно наблюдать с необычной чистотой.

Откуда берутся пустоты и почему они такие большие

После Большого взрыва Вселенная представляла собой однородный «суп» из субатомных частиц. Со временем материя остывала, стабилизировалась в атомы, и начала проявляться структура, которую астрофизики называют космической паутиной — сетью нитей из газа, галактик и тёмной материи.

Гравитация постепенно притягивала всё больше вещества к этим нитям. Пространство между ними опустело — так образовались пустоты. Небольшие «субпустоты» между скоплениями галактик могут составлять 10–20 миллионов световых лет в поперечнике. Но масштабы бывают принципиально иными.

Пустота Волопаса — известная также как «Великое Ничто» — растянулась более чем на 300 миллионов световых лет. При этом она не абсолютно пуста: внутри обнаружено несколько десятков галактик. Для сравнения: в области аналогичного размера, насыщенной материей, их должны быть тысячи.

Сам термин «космическая пустота» может вводить в заблуждение, предупреждает Алис Пизани, профессор-исследователь в области космологии из Центра физики частиц в Марселе (CPPM). По её словам, пустоты никогда не бывают полностью пустыми — в них всегда присутствуют маломассивные галактики низкой плотности. Просто их несравнимо меньше, чем в остальной Вселенной.

Почему именно сейчас — и что ищут учёные

До конца 1970-х годов пустоты оставались невидимыми: галактики картировали лишь в двух измерениях, как точки на небосводе. Когда появились трёхмерные карты распределения галактик, контуры космической паутины стали различимы впервые — и вместе с ними проступили очертания пустот.

Сегодня сразу несколько масштабных проектов ведут систематическое картирование этих структур. Инструмент DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) в Аризоне и европейский космический телескоп Euclid в совокупности должны нанести на карту более 100 000 пустот. Это беспрецедентная выборка — хотя, по оценкам, в наблюдаемой Вселенной их существуют десятки миллионов.

«Только за последние десять лет область действительно значительно эволюционировала благодаря новым технологиям», — говорит Нико Шустер, космолог и специалист по пустотам из того же CPPM. По его словам, современные инструменты позволяют наблюдать несравнимо больше галактик, чем прежде, и исследовать космическую паутину на принципиально большей глубине.

Главное преимущество пустот как объекта исследования — минимальный «шум». В областях с высокой плотностью материи гравитационные взаимодействия многочисленны и сложны, что затрудняет выделение слабых сигналов. В пустотах помех меньше: здесь проще отследить, как именно тёмная энергия влияет на расширение пространства или как гравитация ведёт себя на сверхбольших масштабах.

Одна из самых острых проблем современной космологии — так называемое «напряжение Хаббла»: два независимых метода измерения скорости расширения Вселенной дают систематически расходящиеся результаты. Пустоты предлагают третий, независимый способ оценки этого параметра, что может помочь установить, где именно закралась ошибка — или указать на принципиально новую физику.

Часть исследователей выдвигает ещё более радикальную гипотезу: возможно, наша собственная галактика находится внутри гигантской пустоты. Если это так, привычные представления о крупномасштабной структуре Вселенной и интерпретация многих наблюдений потребуют пересмотра.

«С точки зрения космологии сейчас очень захватывающее время», — резюмирует Пизани. Области, которые десятилетиями считались просто «пустым местом», превращаются в один из главных источников данных о природе Вселенной.

— По материалам Wired: оригинальная статья. Перевод и адаптация — редакция Digital Business.