Есть ли во Вселенной закономерность?

Скопления галактик в

Скопления галактик в «космической паутине». (Изображение предоставлено: К. Долаг, Университетская обсерватория Мюнхена, Мюнхенский университет Людвига Максимилиана, Германия)



Пол М. Саттер астрофизик в SUNY Стоуни Брук и Институт Флэтайрон, ведущий Спросите космонавта а также Космическое радио , и автор Как умереть в космосе .



На протяжении десятилетий космологи задавались вопросом, может ли крупномасштабная структура Вселенная является фракталом, то есть если он выглядит одинаково независимо от масштаба. После завершения массовых исследований галактик ученые наконец-то получили ответ: нет, но в некотором роде.

В начале 20 века астрономы - начиная с Эдвин хаббл и его открытие огромного расстояния до Андромеды, ближайшей к нам галактики. Млечный Путь - начал понимать, что Вселенная почти невообразимо огромна. Они также узнали, что мы можем видеть разбросанные галактики, как близкие, так и далекие. И поэтому, естественно, возник вопрос: есть ли какая-то закономерность в расположении этих галактик или это полностью случайное?



Вселенная: Большой взрыв в 10 простых шагов

Сначала это выглядело случайным. Астрономы видели гигантские скопления галактик, каждое из которых содержит тысячу или более галактик. И были также гораздо меньшие группы галактик, и галактики, свисающие сами по себе. Взятые вместе, наблюдения создавали впечатление, что в космосе не существует всеобъемлющей закономерности.

И астрономов это устраивало. Они давно придерживались идеи, называемой космологическим принципом, а именно, что Вселенная в основном однородна (примерно одинакова в разных местах) и изотропна (примерно одинакова, в какую бы сторону вы ни смотрели). Группа случайных галактик и скоплений вписывается в этот принцип.



Но в конце 1970-х годов обзоры галактик стали достаточно сложными, чтобы выявить начало закономерности в расположении галактик. Помимо скоплений, были еще длинные тонкие волокна галактик. Были широкие стены. А потом были пустоты - бескрайние пустоты. Астрономы назвали это космической паутиной. Этот образец нарушил 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 нечто большее.

Вселенная во вселенной

Одно предложение поступило от математика Бенуа Мандельброт , отец фракталов. Фракталы очень сложно определить, но они могут быть достаточно простыми для интуитивного понимания: это закономерности, которые повторяются независимо от того, насколько сильно 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 везде. Если вы увеличите масштаб изображения точки снежинки, вы увидите миниатюрные снежинки. Если вы увеличите масштаб ветвей дерева, вы увидите миниатюрные ветки. Если вы увеличите масштаб береговой линии, вы увидите миниатюрные береговые линии. Фракталы окружают нас в природе, и математика фракталов позволила нам понять огромное количество самоподобных структур во Вселенной.

Если фракталы есть повсюду, предположил Мандельброт, то, возможно, вся Вселенная является фракталом. Может быть, то, что мы видели как образец расположения галактик, было начальным этапом максимально возможного фрактала. Может быть, если мы построим достаточно сложные исследования, мы найдем структуры гнезд - космические сети внутри космических сетей, заполняющие всю вселенную до бесконечности.

Связанный: 8 загадок астрономии

Гомогенизированный и пастеризованный

По мере того, как астрономы открывали больше о космической паутине, они узнавали больше об истории Большого взрыва и придумали способы объяснить существование крупномасштабных структур во Вселенной. Эти теории предсказывали, что Вселенная по-прежнему однородна, только в гораздо больших масштабах, чем наблюдали астрономы ранее.

Окончательное испытание фрактальной вселенной наступит только в этом столетии, когда поистине гигантские обзоры, такие как Sloan Digital Sky Survey, смогут нанести на карту местоположения миллионов галактик, нарисовав портрет космической паутины в масштабах, которые никогда не наблюдались. до.

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 паутина должна перестать быть космической сетью, и случайный достаточно большой кусок Вселенной должен выглядеть (статистически) как любой другой случайный кусок.

Результат - однородность, но в умопомрачительном масштабе. Вы должны подняться примерно на 300 миллионов световых лет, прежде чем Вселенная станет однородной.

Вселенная определенно не фрактал, но части космической паутины все еще обладают интересными фрактальными свойствами. Например, сгустки темной материи, называемые «ореолами», в которых находятся галактики и их скопления, образуют вложенные структуры и субструктуры, внутри которых находятся суб-гало и суб-суб-гало.

И наоборот, пустоты нашей Вселенной не совсем пусты. В них действительно есть несколько тусклых карликовых галактик, и эти несколько галактик расположены в тонкой, тусклой версии космической паутины. В компьютерном моделировании подпустоты внутри этой структуры также содержат свои собственные шипучие космические сети.

Итак, хотя Вселенная в целом не является фракталом - а идея Мандельброта не подтвердилась - мы все еще можем найти фракталы почти везде, куда бы ни посмотрели.

Узнайте больше, послушав серию «Является ли вселенная фракталом?» в подкасте 'Спроси космонавта', доступном на iTunes а также askaspaceman.com . Благодаря Митчеллу Л. за вопросы, которые привели к этой статье! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter а также facebook.com/PaulMattSutter .