Астрономы увидели филаменты крупномасштабной структуры Вселенной

Ученые из Японии, Европы и США непосредственно зарегистрировали протяженные линейные структуры из водорода, которые тянутся между галактиками в далеком протоскоплении. Исследователи ранее фиксировали косвенные свидетельства таких образований, предсказываемых стандартной космологической теорией, но в данном случае их наличие проявилось наиболее явно, пишут ученые в журнале Science.

Современная космологическая теория ΛCDM описывает большинство наблюдаемых крупномасштабных процессов во Вселенной. В частности, она определяет эволюцию структур на большом масштабе и темп формирования скоплений галактик. Согласно результатам проведенных на ее основе численных симуляций, материя во Вселенной должна образовывать сеть, напоминающую мыльную пену: стенки и нити с относительно высокой концентрацией вещества, граничащие с обширными областями пониженной плотности — войдами.

Подобная структура прослеживается для относительно близких галактик: они выстраиваются в нити, называемые филаментами, на пересечении которых оказываются крупные скопления галактик. Так как галактики и звезды образуются из водорода, то в его распределении также должна прослеживаться филаментарная структура. Однако водород может присутствовать в виде диффузных облаков, в которых нет светящихся объектов, таких как звезды, поэтому увидеть непосредственно газовую компоненту крупномасштабной структуры сложно.

Вместе с тем наблюдение водородной компоненты крупномасштабной структуры обладает отдельной ценностью для науки, так как именно этот газ должен стекать вдоль филаментов на формирующиеся галактики и обеспечивать условия для быстрого роста сверхмассивных черных дыр в их центрах. Астрономы уже фиксировали присутствие этого газа, но по косвенным признакам: либо по искажению вида более далеких галактик, либо по поглощению излучения ярких квазаров на фоне.

В работе астрономов, ведущим автором которой выступил Хидэки Умэхата (Hideki Umehata) из японского Института физико-химических исследований RIKEN, описано обнаружение нитей из водорода в далеком протоскоплении галактик SSA22 на красном смещении 3,1. Ученым удалось зафиксировать ультрафиолетовое (в покоящейся системе отсчета) свечение газа от нескольких продолговатых структур из газа, которые тянутся между галактиками на расстоянии более чем один мегапарсек.

Свет от данного скопления идет долго, мы видим его таким, как оно было спустя всего примерно два миллиарда лет после Большого взрыва. В это время как раз продолжалось активное формирование галактик и их скоплений, а также рост сверхмассивных черных дыр. Авторы статьи считают, что именно интенсивное звездообразование и активность крупных черных дыр возбудили водород в филаментах, который затем начал светиться в линии Ly_α, которая соответствует переходу электрона с первого возбужденного уровня на основной.

Численные модели показывают, что в то время не менее 60 процентов всего газа во Вселенной должно было находиться в виде филаментов. Авторы называют результаты своей работы первым полноценным обнаружением соединяющих несколько галактик нитей, так как ранее удавалось лишь выводить их присутствие в нескольких частных случаях. Достижение оказалось возможным благодаря спектрометру MUSE, установленному на восьмиметровых телескопах VLT в Чили.

Работа также важна в контексте задачи о «потерянных барионах» — кажущейся нехватки обычной материи в локальной Вселенной. Космологическая ΛCDM-модель предсказывает, что вокруг нас должно быть больше лучше всего известной нам компоненты Вселенной, но в наблюдениях ее зафиксировать не удавалось. В отдельных работах говорилось об успешной регистрации водорода в виде горячего газа в перемычках между галактиками — проэволюционировавших филаментах из ранней Вселенной.

Ранее астрофизикам удалось определить форму Местного войда, нашли стандартную линейку для эпохи вселенского рассвета и измерили расширение Вселенной при помощи размера гравитационных линз.