Астрономы получают некоторые ответы на извечный вопрос.
В течение десятилетий космологи задавались вопросом, является ли крупномасштабная структура Вселенной фракталом, то есть выглядит ли она одинаково независимо от того, насколько велик масштаб. После завершения масштабных исследований галактик ученые, наконец, получили ответ: Нет, но в некотором роде.
В начале 20—го века астрономы, начиная с Эдвина Хаббла и его открытия огромного расстояния до Андромеды, ближайшей галактики к нашему собственному Млечному Пути, начали понимать, что Вселенная почти невообразимо огромна. Они также узнали, что мы можем видеть галактики, разбросанные повсюду, как вблизи, так и вдали. И поэтому, естественно, возник вопрос: существует ли какая-то закономерность в расположении этих галактик, или это совершенно случайно?
Сначала это выглядело случайным образом. Астрономы видели гигантские скопления галактик, каждое из которых содержало тысячу или более галактик. И были также гораздо меньшие группы галактик, и галактики болтались сами по себе. Взятые вместе, наблюдения создавали впечатление, что в космосе нет общей закономерности.
И астрономов это вполне устраивало. Они уже давно приняли идею, называемую космологическим принципом, то есть, что Вселенная в основном однородна (примерно одинакова от места к месту) и изотропна (примерно одинакова, независимо от того, в каком направлении вы смотрите). Кучка случайных галактик и скоплений прямо вписывается в этот принцип.
Но в конце 1970-х годов исследования галактик стали достаточно сложными, чтобы выявить зачатки закономерности в расположении галактик. Помимо скоплений, были также длинные тонкие нити галактик. Там были широкие стены. А потом были пустоты — бескрайние просторы пустоты. Астрономы назвали это космической сетью. Эта закономерность нарушила бы космологический принцип, потому что это означало бы, что большие области Вселенной не похожи на другие большие области Вселенной.
Так что, возможно, в этой истории было что-то еще.
Вселенная внутри вселенной
Одно предложение поступило от математика Бенуа Мандельброта, отца фракталов. Фракталы удручающе трудно определить, но они могут быть достаточно простыми для интуитивного понимания: это шаблоны, которые повторяются независимо от того, как далеко вы увеличиваете или уменьшаете масштаб. Мандельброт не изобрел концепцию фракталов — математики веками изучали самоподобные модели, — но он придумал слово «фрактал» и положил начало нашему современному изучению этой концепции.
Фракталы повсюду. Если вы увеличите масштаб точки снежинки, вы увидите миниатюрные снежинки. Если вы увеличите изображение ветвей дерева, вы увидите миниатюрные ветви. Если вы увеличите масштаб береговой линии, вы увидите миниатюрные береговые линии. Фракталы окружают нас в природе, и математика фракталов позволила нам понять огромное разнообразие самоподобных структур во Вселенной.
Если фракталы повсюду, предположил Мандельброт, то, возможно, вся вселенная является фракталом. Возможно, то, что мы видели как закономерность в расположении галактик, было начальными шагами величайшего возможного фрактала. Возможно, если бы мы построили достаточно сложные исследования, мы бы обнаружили гнездящиеся структуры — космические сети внутри космических сетей, заполняющие всю вселенную до бесконечности.
Гомогенизированный и пастеризованный
По мере того как астрономы все больше узнавали о космической сети, они больше узнавали об истории Большого взрыва и придумывали способы объяснить существование крупномасштабных закономерностей во Вселенной. Эти теории предсказывали, что Вселенная все еще однородна, только в гораздо, гораздо больших масштабах, чем астрономы наблюдали ранее.
Окончательное испытание фрактальной вселенной наступит только в этом столетии, когда по-настоящему гигантские исследования, такие как Исследование цифрового неба Слоана, смогут нанести на карту местоположения миллионов галактик, нарисовав портрет космической сети в масштабах, никогда ранее не наблюдавшихся.
Если идея фрактальной вселенной верна, то мы должны увидеть нашу локальную космическую сеть, встроенную в гораздо большую космическую сеть. Если это неправильно, то в какой-то момент космическая сеть должна перестать быть космической сетью, и случайный, достаточно большой кусок Вселенной должен выглядеть (статистически) как любой другой случайный кусок.
В результате получается однородность, но в умопомрачительных масштабах. Вам нужно подняться примерно на 300 миллионов световых лет, прежде чем Вселенная станет однородной.
Вселенная определенно не является фракталом, но части космической сети все еще обладают интересными фрактальными свойствами. Например, сгустки темной материи, называемые «ореолами», в которых находятся галактики и их скопления, образуют вложенные структуры и подструктуры, в которых ореолы содержат субгало и субгало внутри них.
И наоборот, пустоты нашей вселенной не совсем пусты. Они действительно содержат несколько слабых карликовых галактик, и эти несколько галактик расположены в тонкой, слабой версии космической сети. При компьютерном моделировании подпустоты внутри этой структуры также содержат свои собственные шипучие космические сети.
Итак, хотя Вселенная в целом не является фракталом — и идея Мандельброта не оправдалась, — мы все еще можем найти фракталы почти везде, куда бы мы ни посмотрели.
Узнайте больше, прослушав эпизод «Является ли вселенная фракталом?» в подкасте «Спроси космонавта», доступном в iTunes и askaspaceman.com. Спасибо Митчеллу Л. за вопросы, которые привели к этой статье! Задайте свой собственный вопрос в Твиттере, используя #askaspaceman или подписавшись на Paul @Paulmattsutter и facebook.com/PaulMattSutter.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать рассказывать о последних миссиях, ночном небе и многом другом! И если у вас есть новости, исправления или комментарии, сообщите нам об этом по адресу: community@space.com.
Пол М. Саттер — астрофизик в САНИ Стоуни Брук и Институте Флэтайрона в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего получил научную стипендию в Триесте, Италия. Его исследования сосредоточены на самых разных темах, от самых пустых областей Вселенной до самых ранних моментов Большого взрыва, до охоты за первыми звездами. Будучи «Агентом к звездам», Пол в течение нескольких лет страстно привлекал общественность к научной работе. Он является ведущим популярного подкаста «Спроси космонавта!», автором книг «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе» и часто появляется на телевидении.
https://www.space.com/universe-pattern-fractals-cosmic-web
Загрузка...
