Природа ненавидит пустоту. По крайней мере, так гласит известная пословица. Видимо, Вселенная просто не получила этого уведомления. Она изобилует космическими пустотами — огромными просторами безматериальной пустоты, зависшими между плотными нитями вещества, образующими Космическую паутину.
Не позволяйте слову «пустое» вас обмануть. Это не какие-то скучные захолустья. Они могут стать ключом к решению наших самых сложных космических головоломок. Гравитация ведет себя странно? Проверено. Истинная природа темной энергии? Тоже в списке. Упорное расхождение в темпах расширения Вселенной, известное как натяжение Хаббла, которое годами раздражает астрономов? И это тоже.
«С пустотами у нас есть тихая комната, необходимая для того, чтобы услышать сигнал».
Таково впечатление от работы Элис Пизани. Космолог из французского Института физики частиц и ядра (CPPM), она рассматривает эти области с пониженной плотностью как лаборатории с низким уровнем шума. Меньше вещества означает меньше помех. Данные становятся чище.
Это стало возможным благодаря новым телескопам и передовым симуляциям. Внезапно глобальное научное сообщество вглядывается в «ничто», пытаясь найти в нем всё. Некоторые ученые даже полагают, что мы находимся внутри одной такой пустоты. Большой. Оочень большой. Это изменило бы наше представление о нашем месте во Вселенной.
Для областей, определяемых тем, чего в них нет, пустоты стали настоящими тяжеловесами науки.
Структура ничто
В старые добрые времена, вскоре после Большого взрыва, вещество было равномерным. Сoup из субатомных частиц. Кругом было прохладно. Затем всё остыло. Образовались атомы. Гравитация сделала своё дело, стягивая газ и галактики в каркас. Так появилась Космическая паутина.
По мере того как вещество всасывалось в эти паутинообразные структуры, пространства между ними становились все шире. Эти разрывы? Вот они, пустоты.
Они могут быть небольшими. «Подпустоты», зажатые между скоплениями галактик, могут простираться всего на 20 миллионов световых лет. Скучно по космическим меркам.
Но есть и Пустота Bootes. «Великое Ничто». Она простирается более чем на 300 миллионов световых лет поперек. Пустая? Технически нет.
Пизани предупреждает, что термин «космическая пустота» — это своего рода ложь. Абсолютно пустого места не существует. Внутри дрейфуют крошечные галактики низкой массы. В Bootes их несколько десятков. В нормальной области вы бы ожидали увидеть тысячи. Так что да, достаточно пусто, чтобы считаться пустотой.
Мы не замечали их десятилетиями. Не потому, что их не было. А потому, что мы смотрели в плоском измерении. 2D-карты неба скрывают глубину. Только трехмерное картирование, начавшееся в конце 1970-х годов, позволило увидеть паутину — и дыры в ней.
Теперь ситуация изменилась. Телескопы, такие как Dark Energy Survey в Аризоне, и космический аппарат Euclid Европы, выводят исследования на новый уровень. Ожидается, что они позволят составить карты более 100 000 пустот. Звучит как много. Это едва ли доля от того, что существует на самом деле.
«В последние десять лет эта область претерпела взрывной рост. У нас наконец-то появилось разрешение, чтобы глубоко увидеть структуру паутины».
Нико Шустер, также работающий в CPPM, указывает на улучшенные технологии и код. Раньше симуляции работали медленно. Теперь они могут моделировать сотни тысяч пустот. Это революция. В апреле Пизани возглавила крупный обзор, в котором пустоты названы «мощными космологическими лабораториями». Без преувеличений.
Ясность в хаосе
Вот в чем дело с физикой в переполненных комнатах. Она становится запутанной. Скопления галактик хаотичны. Вещество сталкивается. Гравитация запутывается.
Пустоты — аккуратны.
Они предлагают заглянуть в работу гравитации в чистом виде, без помех со стороны массивных, сложных объектов. Космологи это обожают. Они используют пустоты для проверки пределов Общей теории относительности Эйнштейна. Меняются ли правила, когда вы одни во тьме?
Они отслеживают «трекеры» — галактики, гало темной материи, — по мере их движения через эти разреженные области. Ведут ли они себя так, как предсказывалось?
Работа Шустера посвящена изучению первозданного движения этих трекеров. Это помогает ему изучать нейтрино. Крошечные частицы. 100 триллионов проходят через вас прямо сейчас. Вы этого не чувствуете. Они почти ни с чем не взаимодействуют.
В пустоте эта призрачная природа проявляется во всей красе. Почти нет ничего, с чем можно было бы взаимодействовать. Это раскрывает секреты физики нейтрино, скрытые в плотных скоплениях.
И затем есть тьма. Темная материя и темная энергия. Два огромных вопросительных знака в нашей стандартной модели Вселенной.
Темная энергия — это сила, стоящая за ускорением расширения Вселенной. В плотных областях доминирует гравитация вещества. Силу толчка трудно заметить. А в пустоте? Вещества мало. Темная энергия управляет процессом.
«Пустоты — это первые области, где доминирует этот компонент. Здесь можно реально определить его свойства».
Пизани говорит прямо. Где вещество густое, воздействие незаметно. В пустоте оно звучит громко.
Одни ли мы в этой дыре?
Мы смотрим на эти гигантские разрывы и задумываемся, не находимся ли мы тоже внутри одного из них.
Некоторые ученые считают, что да. Идут разговоры о «Пустоте Кеннана, Баргера и Коули (KBC)». Сверхпустоте. Ее диаметр составляет два миллиарда световых лет. Мы можем находиться близко к ее центру.
Доказательства? Количество галактик поблизости ниже ожидаемого. Древние рябь от ранней Вселенной движутся через наше пространство так, как будто оно менее плотное, чем должно быть.
Это не укладывается в стандартную модель. Согласно текущим математическим расчетам, такие большие пустоты не должны существовать. Но что, если модель немного ошибочна? Что, если мы просто находимся в странном месте?
Это могло бы решить проблему натяжения Хаббла.
Ученые измеряют скорость расширения Вселенной, используя древний свет (Реликтовое излучение). Затем они измеряют её снова, используя близкие сверхновые. Цифры не сходятся. Это досаждающая проблема, которая не уходит.
Индранил Баник из Портсмутского университета имеет одну идею. «Гипотеза пустоты».
Возможно, мы находимся в центре области с пониженной плотностью. Объекты рядом с нами кажутся движущимися быстрее не потому, что вся Вселенная расширяется быстрее, а потому, что они падают к более плотным структурам Космической паутины поблизости. Гравитационная рикошет-эффект. С нашей точки зрения это выглядит как ускорение.
Это спорная теория. Баник продвигает её годами. Он говорит, что всё больше людей прислушиваются. Пизани и Шустер считают, что это стоит проверить, даже если они пока не убеждены.
Тест скоро состоится. Примерно через десять лет новые данные разрешат этот спор.
Баник уверен.
«Я верю, что мы обнаружим, что действительно находимся в области пониженной плотности».
Будем ли мы застряты в космическом пузыре или нет, вид теперь лучше, чем когда-либо. Эти пустые пространства могут содержать ответы на то, почему Вселенная работает именно так, как она работает. Или почему наша математика ошибочна.
Следующее десятилетие будет шумным, несмотря на тихие темы исследований. Новые обзоры принесут более строгие ограничения. Новая физика столкнется с трудностями.
Мы переживаем золотую эру науки о пустотах.
Просто подождите, чтобы увидеть, что живет в тенях.
