Скопления галактик: структура, классификация и крупномасштабная организация Вселенной

Большинство галактик расположены на огромных расстояниях от Земли и галактики Млечный Путь, образуя группы или скопления, связанные взаимным гравитационным притяжением. Эти скопления разделены огромными пустотами (войдами) — областями относительно пустого пространства, в значительной степени лишенными светящейся материи. Млечный Путь принадлежит к Местной группе, в которую также входят большая спиральная галактика Андромеды (М31) , Большое и Малое Магеллановы Облака и примерно 20 галактик меньшего размера. Большинство галактик в пределах Местной группы представляют собой эллиптические и карликовые неправильные системы, а диаметр всей группы составляет примерно 1 мегапарсек (Мпк) , что эквивалентно примерно 3,26 миллионам световых лет.

Астрономы подразделяют скопления галактик на два основных типа: регулярные и нерегулярные. Регулярные скопления имеют сферическую форму с плотным центральным ядром, и их классификация зависит от количества галактик, расположенных в пределах 1,5 Мпк от центра скопления. Большинство регулярных скоплений имеют радиусы от 1 до 10 Мпк и обладают общей массой порядка 10¹⁵ солнечных масс (где одна солнечная масса равна массе Солнца). Скопление Кома (Волос Вероники) является примером регулярного скопления, содержащего тысячи галактик в пределах 1,5 Мпк от своего ядра, что делает его одной из самых плотных крупномасштабных областей в наблюдаемой Вселенной.

Скопление галактик под названием Abell 2218, снятое космическим телескопом «Хаббл» (НАСА, А. Фрухтер и команда ERO, STScI, ST-ECF)

Нерегулярные скопления, как правило, имеют меньшую массу, примерно от 10¹² до 10¹⁴ солнечных масс, и не имеют четко выраженной центральной концентрации. В отличие от регулярных скоплений, они обладают асимметричной, аморфной формой без заметного ядра. Скопление Девы служит ближайшим примером нерегулярного скопления, расположенного примерно в 16,5 Мпк от Млечного Пути и содержащего более 1300 галактик-членов. Эти неправильные системы часто представляют собой более молодые, менее динамично развившиеся структуры по сравнению с их регулярными аналогами.

Галактики и скопления галактик далее объединяются в еще более крупные образования, известные как сверхскопления. Сверхскопление обычно состоит из групп или цепочек скоплений, общая масса которых составляет около 10¹⁶ солнечных масс. Млечный Путь является частью сверхскопления с центром в созвездии Девы, размер которого составляет примерно 15 Мпк. Напротив, крупнейшие известные сверхскопления, такие как сверхскопление Кома, простираются примерно на 100 Мпк. Последние достижения в области методов астрономического картографирования, включая исследования красного смещения и анализ космического микроволнового фона, показывают, что примерно 90% всех галактик находятся в пределах взаимосвязанной сети сверхскоплений, пронизывающих известную Вселенную.

Самые крупномасштабные структуры, известные в космосе, демонстрируют неравномерное распределение галактик и скоплений. Пустоты — примерно 25 Мпк в поперечнике — разделяют взаимосвязанные слои и нити скоплений галактик, создавая похожую на губку космическую паутину. Великая китайская стена (Great Wall) является ярким примером такой листообразной структуры: обширное скопление галактик длиной около 100 Мпк, расположенное примерно в 100 Мпк от Земли. Эта нитевидная структура возникает в результате гравитационного коллапса темной и барионной материи после Большого взрыва, и компьютерное моделирование подтверждает, что такие структуры возникают естественным образом из начальных колебаний плотности.

Исследования красного смещения галактик с Земли показывают, что многие группы галактик в масштабах 60 Мпк движутся относительно согласованно, что позволяет предположить их связь с некой всеобъемлющей крупномасштабной структурой. В соответствии с этим наблюдением астрономы определили, что галактика Млечный Путь — вместе со всей Местной группой — движется со скоростью примерно 600 км/с к области в космосе, удаленной на расстояние около 45 Мпк и расположенной в сверхскоплении Центавра. Эта таинственная область известна как Великий аттрактор. Масса, содержащаяся в этой области, по расчетам, превышает 5 × 10¹⁶ солнечных масс, и она, вероятно, представляет собой рассеянную концентрацию вещества, простирающуюся примерно на 400 миллионов световых лет в поперечнике, возможно, образуя само сверхскопление. Текущие исследования с использованием рентгеновских и радиотелескопов продолжают уточнять наше понимание этой гравитационной аномалии.

Космологическое моделирование и исследования глубокого неба, такие как Sloan Digital Sky Survey (SDSS) , позволили составить карту трехмерного распределения галактик на расстоянии миллиардов световых лет. Эти карты подтверждают, что темная материя играет решающую роль в структурировании Вселенной, поскольку видимая материя сама по себе не может объяснить гравитационное связывание скоплений и сверхскоплений. Модель Lambda-CDM (ΛCDM) — лямбда-холодная темная материя — успешно воспроизводит наблюдаемую иерархию структур, от отдельных галактик до сверхскоплений и космической паутины. Понимание этих крупномасштабных образований остается главной целью современной астрофизики и космологии, особенно в контексте уточнения параметров расширения Вселенной и природы темной энергии.

Дополнительная литература:
Чейссон, Эрик и Стив Макмиллан. Астрономия сегодня. 6-е изд. Аппер-Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Эддисон-Уэсли, 2007.
Коминс, Нил Ф. Открывая Вселенную. 8-е изд. Нью-Йорк: У. Х. Фриман, 2008.
Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). “Вселенная 101, Наша Вселенная, теория Большого взрыва”. Веб-страница “Космология: изучение Вселенной”. Доступно онлайн: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/. Обновлено 8 мая 2008 г.
Сноу, Теодор П. Основы динамической вселенной: введение в астрономию. 4-е изд., Сент-Пол, Миннесота: Вест, 1991.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.