Крупномасштабная структура Вселенной идеально воспроизводится современной космологической моделью

Крупномасштабная структура Вселенной идеально воспроизводится современной космологической моделью

 Дмитрий Сафин

Корейские астрофизики убедились в том, что общепринятая космологическая модель ΛCDM адекватно описывает эволюцию крупномасштабной структуры Вселенной.

ΛCDM, напомним, рисует пространственно плоскую и расширяющуюся с ускорением Вселенную с холодной тёмной материей и космологической постоянной, отвечающей за тёмную энергию. Структурные элементы пространства, согласно этой модели, должны формироваться постепенно, в направлении от менее крупных объектов к более крупным: сначала тёмная материя образует небольшие гало, а они затем привлекают дополнительные объёмы вещества и объединяются друг с другом, увеличиваясь в размерах. Подросшие гало становятся центрами развития галактик.

Для тестирования ΛCDM можно использовать каталоги галактик, составляемые по результатам обзоров больших участков неба — проектов вроде WiggleZ, SDSS, 2dF или стартующего в конце года Dark Energy Survey, участники которого сейчас занимаются тестированием цифровой ПЗС-камеры. Самой известной из всех наблюдательных программ остаётся SDSS, позволившая восстановить контуры крупнейшей галактической нити Sloan Great Wall (SGW). Протяжённость наиболее плотной части этой громадной галактической структуры, расположенной в ~300 Мпк от Земли, оценивается в 200 Мпк, а общая длина нити как минимум в два раза превосходит последнее значение (поскольку концы SGW, вероятно, просто «обрубаются» на границах участка, исследованного в рамках SDSS, найти её точные размеры сложно).

Обнаружение SGW стало подарком для теоретиков, у которых появился новый критерий оценки того, насколько ΛCDM соответствует реальности. Двое американских учёных, привлекая теорию экстремальных значений, уже успели рассчитать вероятность появления столь крупной структуры в плоской ΛCDM-вселенной и заключили, что модель может содержать серьёзные изъяны, так как найденная величина оказалась крайне малой.

Впрочем, более надёжным способом проверки предсказаний теории было бы полноценное N-частичное моделирование, поэтапно отслеживающее гравитационную эволюцию заданных в соответствии с ΛCDM первичных флуктуаций плотности во Вселенной. Чтобы добиться статистической достоверности, смоделированный объём при этом необходимо сделать максимально большим, на порядки превосходящим доступную SDSS область пространства.

Именно такое космологическое моделирование в поистине гигантском объёме, названное Horizon Run 2, недавно провела корейская группа. В своих вычислениях авторы задействовали (6 000)³ = 216 миллиардов частиц тёмной материи, размещённых в кубе со стороной в 10 Гпк. Достигнутое Horizon Run 2 разрешение по массе также можно считать очень достойным: на одну частицу приходилось «всего» около 1,74•10¹¹ солнечной массы.

Каждому образовавшемуся субгало тёмной материи с массой выше 5,2•10¹² солнечной астрофизики приписывали одну галактику. Набор галактик использовался в качестве базы для имитации наблюдений SDSS, а результаты 200 подобных «мнимых» обзоров обрабатывались по тому же алгоритму, что и реальные данные SDSS. Анализируя последние, авторы, заметим, отыскали не только SGW и множество менее значительных плотных элементов крупномасштабной структуры, но и ранее неизвестный рекордно большой комплекс войдов — участков, которые представляются свободными от галактик и их скоплений. Общий объём новой «пустой» области, вытягивающейся на 464 Мпк, доходит до 3,85•10⁶ Мпк³.

Сравнение всех подготовленных массивов информации показало, что плотные структуры, содержащие больше галактик (или имеющие бóльшую протяжённость), чем SGW, встречаются в 137 (155) сымитированных обзорах SDSS из двухсот. В то же время ни в одном из 200 случаев учёным не удалось выделить более пяти объектов, которые превосходили бы SGW по размерам. Следовательно, SGW действительно можно назвать на редкость мощной галактической нитью, но её обнаружение в проекте масштаба SDSS — ожидаемое событие, ничуть не противоречащее модели ΛCDM.

Соответствие, близкое к идеальному, также показали теоретические и экспериментальные графики распределения всех найденных плотных крупномасштабных структур по размерам и числу относящихся к ним галактик. Аналогичные графики, подтвердившие сходимость данных SDSS и Horizon Run 2, были построены для войдов.

Подготовлено по материалам arXiv.