Почему галактики, разделенные миллиардами световых лет, двигаются в унисон?

Ученые обнаружили, что галактики могут перемещаться влияя друг на друга на огромных расстояниях и вопреки предсказаниям основных космологических моделей. Это причина, по которой может измениться все, что мы думаем о вселенной.

Наш Млечный Путь, галактика, в которой мы живем, является одной из сотен миллиардов галактик, разбросанных по всей наблюдаемой вселенной. Их разнообразие впечатляет: они бывают эллиптические, линзообразные, в форме спирали или вообще неправильной формы.

Но, несмотря на их различия и ошеломляющие расстояния между ними, ученые заметили, что некоторые галактики движутся вместе, странным и часто необъяснимым образом, как будто они связаны огромной невидимой силой.

Галактики в пределах нескольких миллионов световых лет друг от друга могут гравитационно воздействовать друг на друга предсказуемым образом, но ученые наблюдают загадочные закономерности между отдаленными галактиками, которые выходят за пределы этих локальных взаимодействий.

Эти открытия намекают на загадочное влияние так называемых «крупномасштабных структур», которые, как следует из названия, являются крупнейшими известными объектами во вселенной. Эти тусклые структуры состоят из газообразного водорода и темной материи и принимают форму нитей и узлов, которые связывают галактики в обширной сети, называемой космической сетью. Мы знаем, что эти структуры имеют большое значение для эволюции и движения галактик, но мы едва понимаем причины динамики, которая их движет.

Ученые стремятся получить новые знания об этих явлениях, потому что некоторые из них бросают вызов нашим самым фундаментальным представлениям о вселенной.

«Именно поэтому все постоянно изучают эти крупномасштабные структуры», — сказал Ноам Либескинд, космограф из института астрофизики (AIP) в Германии в издании Vice.com. «Это способ исследования и ограничения законов гравитации и природы материи, темной материи, темной энергии и вселенной».

Галактики имеют тенденцию образовывать гравитационно связанные скопления, которые принадлежат еще большим сверхскоплениям. Например, космический адрес Земли должен учитывать, что Млечный Путь является частью Местной группы, скопления из нескольких десятков галактик. Местная группа находится внутри сверхскопления Девы, содержащего более 1000 галактик.

В этих более «локальных» масштабах галактики часто связаны с вращениями, формами и угловыми скоростями друг друга. Иногда одна галактика даже поглощает другую, событие, известное как галактический каннибализм. Но некоторые галактики показывают динамические связи на расстояниях, слишком больших, чтобы объяснить их индивидуальные гравитационные поля.

Например, исследование, опубликованное в издании «Astrophysical Journal» в октябре, показало, что сотни галактик вращаются синхронно с другими галактиками, которые были на расстоянии десятков миллионов световых лет.

«Открытие является совершенно новым и неожиданным», —  говорит Джун Хео Ли, астроном Корейского института астрономии и космических наук. «Я никогда не видел ни одного предыдущего отчета о наблюдениях или каких-либо прогнозах из численного моделирования, в точности связанных с этим явлением».

Ли и его коллеги изучили 445 галактик на расстоянии 400 миллионов световых лет от Земли и заметили, что у многих из них, вращающихся в направлении к Земле, были соседи, которые двигались к Земле, в то время как у тех, которые вращались в противоположном направлении, соседи отдалялись от Земли.

«Наблюдаемая когерентность должна иметь определенную связь с крупномасштабными структурами, потому что невозможно, чтобы галактики, разделенные шестью мегапарсеками (примерно 20 миллионов световых лет), напрямую взаимодействовали друг с другом», — сказал Ли.

Ученые предполагают, что синхронизированные галактики могут быть встроены вдоль одной и той же крупномасштабной структуры, которая очень медленно вращается в направлении против часовой стрелки. Эта основополагающая динамика может вызвать определенную согласованность между вращением изучаемых галактик и движениями их соседей, хотя потребуется гораздо больше исследований, чтобы подтвердить эти выводы.

Хотя эта конкретная итерация странно синхронизированных галактик является новой, ученые наблюдают странные связи между галактиками на еще более ошеломляющих расстояниях. В 2014 году астрономы наблюдали любопытные расположения сверхмассивных черных дыр в ядрах квазаров, которые представляют собой древние галактики, которых разделяют миллиарды световых лет.

Во главе с астрономом Дэмиеном Хатсемекерсом из Университета Льежа в Бельгии исследователи смогли наблюдать эту удивительную синхронность, наблюдая за вселенной, когда ей было всего несколько миллиардов лет с помощью Очень большого телескопа (VLT) в Чили.

Наблюдения зафиксировали поляризацию света от почти 100 квазаров, которую ученые затем использовали для восстановления геометрии и выравнивания черных дыр в их ядрах. Результаты показали, что оси вращения 19 квазаров в этой группе были параллельны, несмотря на то, что они были разделены несколькими миллиардами световых лет.

Это открытие является индикатором того, что крупномасштабные структуры влияли на динамику движения галактик на огромных расстояниях в ранней Вселенной.

«Известно, что оси вращения Галактики совпадают с крупномасштабными структурами, такими как космические нити, но это происходит в меньших масштабах», — говорят ученые. «Однако в настоящее время нет объяснения, почему оси квазаров выровнены с осью большой группы, в которую они встроены».

Секрет этих синхронизированных галактик может представлять угрозу космологическому принципу, одному из основных предположений о Вселенной. Этот принцип гласит, что Вселенная в основном однородна в чрезвычайно больших масштабах. Но «существование корреляций на квазарных осях в таких экстремальных масштабах явилось бы серьезной аномалией для космологического принципа».

Тем не менее, астрономы предупреждают, что необходимо обнаружить и изучить больше таких структур, чтобы доказать, что это серьезная проблема в космологическом принципе. «Другие подобные структуры необходимы для подтверждения реальной аномалии», — говорят ученые.

На данный момент динамика квазаров не совсем понятна, потому что существует немного наблюдательных методов для их уточнения. «Что касается крупномасштабных выравниваний, мы, по сути, ждем больше данных», — сказал Дэмиен Хатсемекерс. «Такие исследования являются статистическими, и шаг вперед потребует большого количества поляризационных данных, которые нелегко собрать с помощью современных приборов».

Однако, квазарные выравнивания — не единственные препятствия, которые странно синхронизированные галактики предъявили устоявшимся моделям вселенной. Фактически, одна из самых спорных дискуссий в космологии в эти дни сосредоточена вокруг неожиданного способа, с помощью которого карликовые галактики кажутся аккуратно выровненными вокруг больших галактик-хозяев, таких как Млечный путь.

Эти спутниковые галактики в настоящее время являются большой проблемой для так называемой модели ΛCDM, которая представляет собой теоретическую временную шкалу Вселенной со времен Большого взрыва. Моделирование Вселенной в рамках модели ΛCDM предсказывает, что малые спутниковые галактики окажутся на случайных орбитах вокруг больших галактик-хозяев.

Но за последнее десятилетие новые наблюдения показали, что огромная часть спутниковых галактик вокруг Млечного Пути синхронизирована в одну аккуратную орбитальную плоскость. Сначала ученые задавались вопросом, означает ли это просто что-то странное, что происходит с нашей собственной галактикой, но подобная плоскость наблюдалась и вокруг Андромеды.

Это открытие предполагает, что что-то не так со стандартными космологическими моделями.

Будь то странные движения карликовых галактик в нашем собственном галактическом соседстве или странное расположение галактик на протяжении миллионов или миллиардов световых лет, ясно, что движения галактик являются важным ключом к раскрытию крупномасштабной структуры вселенной.

Галактики, которые мы видим в статических положениях на красивых снимках в глубоком космосе, на самом деле управляются многими сложными силами, которые мы еще не полностью осознали, включая космическую сеть, которая скрывает тайны вселенной.