Как учёные находят космические пустоты во Вселенной? Помогает метод водораздела

Допустим, вы отдаляетесь от Земли. Сначала исчезает Солнечная система, затем — наша галактика Млечный Путь, превращаясь в одну из миллиардов светящихся точек. Если продолжить это движение, перед вами откроется интересная картина: Вселенная не заполнена материей равномерно. Она похожа на гигантскую трёхмерную сеть.

Галактики и их скопления выстраиваются в длинные нити, которые пересекаются в массивных узлах. Эту структуру называют космической паутиной. Но любая сеть состоит не только из нитей, но и из пустого пространства между ними. Именно эти гигантские, тёмные и почти пустые области, известные как космические пустоты или войды, занимают большую часть объёма Вселенной.

Но как их найти? И что значит «найти» то, что по определению является отсутствием чего-либо?

«Большие дыры» на карте космоса

Первые намёки на существование пустот появились в конце 1970-х годов. Астрономы начали создавать первые масштабные карты распределения галактик. Они измеряли расстояние до тысяч галактик и наносили их на трёхмерную карту. И когда данные стали накапливаться, на картах проявились пробелы.

В некоторых направлениях на определённых расстояниях галактик просто не было совсем. Учёные увидели гигантские «дыры» в структуре Вселенной.

Первая реакция научного сообщества была предсказуемо скептической. Возможно, это просто дефект наблюдений? Может быть, телескоп по какой-то причине не увидел галактики именно в этой области? Или, что ещё проще, мы просто видим ложный узор там, где его нет, — человеческий мозг мастерски находит закономерности в случайном шуме. Но один за другим новые, более точные обзоры неба показывали ту же самую картину. Пустоты были реальны.

Откуда берётся пустота?

Пустоты — это не «дыры», которые кто-то проделал во Вселенной. Их природа гораздо фундаментальнее. Они — неизбежный результат работы гравитации на протяжении миллиардов лет.

Вскоре после Большого взрыва материя в космосе была распределена почти идеально равномерно. Но были крошечные, случайные флуктуации плотности: где-то вещества было чуть-чуть больше, где-то — чуть-чуть меньше. Области, которые изначально были самую малость плотнее, начали притягивать к себе материю из соседних, менее плотных участков.

Запустился процесс, который можно назвать гравитационным расслоением. За миллиарды лет материя из менее плотных областей буквально перетекла в более плотные, формируя те самые нити и скопления галактик, которые мы видим сегодня. А области, которые отдали своё вещество, стали ещё более пустыми.

Проблема чётких границ

Одно дело — увидеть тёмное пятно на карте и назвать его пустотой. Совсем другое — дать ему строгое научное определение. Где именно заканчивается одна пустота и начинается другая? Как определить её точный центр, форму и объём? Ведь у пустоты нет чёткой поверхности. Галактики не обрываются резко, их концентрация падает постепенно.

Для настоящей науки визуальной оценки недостаточно. Нужен объективный, воспроизводимый метод, который мог бы проанализировать карту из миллионов галактик и выдать точный каталог пустот с их характеристиками. Без этого невозможно сравнивать пустоты между собой или использовать их для проверки космологических теорий.

Как это сделать на практике?

Алгоритм для поиска «ничего»

Решение пришло из неожиданной области — из географии и гидрологии. Учёные разработали инструмент под названием VIDE (Void Identification and Examination toolkit). Его работа основана на так называемом «методе водораздела».

Работает он так:

1. Создаётся ландшафт. Сначала берётся карта распределения материи — галактик, тёмного вещества, неважно. Эту карту представляют как топографический рельеф. Там, где плотность материи высокая (скопления, нити), — там «горы» и «хребты». А там, где плотность низкая, — «долины» и «низины».
2. Запускается «дождь». На эту воображаемую карту моделируют проливание воды. Вода, подчиняясь гравитации, всегда течёт с возвышенностей в низины.
3. Определяются бассейны. Вода будет скапливаться в самых глубоких долинах. Каждая такая долина, или бассейн, в котором собирается вода, и есть пустота.

А что же является границей? Границы — это «горные хребты» и «водоразделы», с которых вода стекает в разные стороны, в разные бассейны. Этот метод, кроме поиска пустот, позволяет математически точно очертить их границы.

Преимущество такого подхода в его объективности. Он не зависит от человеческого глаза, не требует ручной настройки параметров и способен находить как огромные пустоты, так и маленькие, вложенные одна в другую. Сегодня VIDE — это стандарт в космологии для картирования пустот.

Благодаря таким инструментам мы перешли от размытого понятия «большая дыра» к точному каталогу тысяч пустот. Теперь учёные могут изучать их свойства, чтобы лучше понять тёмную энергию, природу гравитации и то, как из почти однородного супа ранней Вселенной родилась та сложная и красивая структура, которую мы наблюдаем сегодня.