De ruimte is als een spons; lange, glanzende filamenten van duizenden en miljoenen sterrenstelsels worden afgewisseld met holtes - zwarte gaten waarin veel minder sterclusters zijn dan gemiddeld. Het is waar dat niemand het universum op deze manier mag zien: waar de waarnemer zich ook bevindt, de verstrooiing van sterren en melkwegstelsels lijkt het binnenoppervlak van de bol te zijn, in het midden waarvan de toeschouwer staat.
Astronomen in de oudheid en tot aan het begin van de 20e eeuw leken een vlakke lucht te hebben: ze wisten alleen de afstand tot de dichtstbijzijnde astronomische objecten te bepalen - de zon, de maan, planeten van het zonnestelsel en hun grote satellieten; al het andere was ver weg onbereikbaar - zo ver weg dat het geen zin had om te praten over wat dichterbij en wat daarna kwam. Pas aan het begin van de 20e eeuw begon de diepe ruimte volume te krijgen: er verschenen nieuwe manieren om afstanden tot verre sterren te meten - en we leerden dat er naast ons melkwegstelsel ook talloze sterclusters zijn. En tegen het einde van de eeuw ontdekte de mensheid dat haar eigen melkwegstelsel cirkelt in een van de openingen tussen de filamenten van de stellaire 'spons' - op een plek die zelfs naar kosmische maatstaven erg leeg is.
Van vliegtuig naar volume
Het menselijk oog kan een object in de verte alleen onderscheiden van een object in de buurt als deze objecten niet te ver van de waarnemer verwijderd zijn. Een boom die dichtbij groeit en een berg aan de horizon; een persoon die in de rij staat voor de toeschouwer - en honderd mensen van hem. Binoculariteit stelt ons in staat om te begrijpen wat ver is en wat dichtbij is (met één oog kan dit ook, maar met minder nauwkeurigheid) en het vermogen van de hersenen om parallax te evalueren - de verandering in de schijnbare positie van een object ten opzichte van een verre achtergrond.
Als we naar de sterren kijken, zijn al deze trucs nutteloos. Met een krachtige telescoop kun je met parallax de afstand tot de sterren die het dichtst bij de zon staan, schatten, maar hier eindigen onze mogelijkheden. Het maximaal haalbare met deze methode werd in 2007 bereikt door de Hipparcos-satelliettelescoop, die de afstand tot een miljoen sterren in de buurt van de zon heeft gemeten. Maar als parallax je enige wapen is, blijft alles wat verder gaat dan een paar honderdduizend parsec op het binnenoppervlak van de bol. Het bleef eerder - tot de jaren twintig van de vorige eeuw.
De Millenium-simulatie berekent 10 miljard deeltjes in een kubus met een rand van ongeveer 2 miljard lichtjaar. Voor de eerste lancering in 2005 werden voorlopige gegevens van de WMAP-missie, die de relikwie-straling van de oerknal bestudeerde, gebruikt. Na 2009, toen het Planck Space Observatory de parameters van de CMB verduidelijkte, werd de simulatie herhaaldelijk opnieuw gestart, elke keer dat het een maand duurde voordat de supercomputer van de Max Planck Society draaide. De simulatie toonde de vorming van sterrenstelsels en hun verspreiding - het verschijnen van clusters van sterrenstelsels en holtes ertussen.
Waar in de ruimte "spons" is de Melkweg?
Het Melkwegstelsel bevindt zich op 700 duizend parsec van het dichtstbijzijnde grote sterrenstelsel - Andromeda - en vormt samen met het Triangulumstelsel en vijftig dwerg-satellietstelsels de Lokale Groep van Melkwegstelsels. De Lokale Groep, samen met een dozijn andere groepen, maakt deel uit van het Lokale Blad - een galactische gloeidraad, onderdeel van de Lokale Supercluster van Melkwegstelsels (supercluster), ook wel bekend als de Virgo Supercluster; behalve de onze zijn er ongeveer duizend grote melkwegstelsels in. Maagd maakt op zijn beurt deel uit van de Laniakei-supercluster, die al ongeveer 100 duizend sterrenstelsels bevat. De naaste buren van Laniakea zijn de Hair of Veronica-supercluster, de Perseus-Pisces-supercluster, Hercules-supercluster, de Leo-cluster en anderen. Het dichtstbijzijnde stukje kosmische leegte, de Lokale Ingang, bevindt zich aan de andere kant van de Melkweg, die niet naar het Lokale Blad gericht is. Van de zon tot het centrum van de lokale leegte is het ongeveer 23 Mpc, en de diameter is ongeveer 60 Mpc, oftewel 195 miljoen lichtjaar. En dit is een druppel in de oceaan vergeleken met de werkelijk Grote Leegte die ons mogelijk omringt.
In 2013 kwam een groep astronomen tot de conclusie dat de Melkweg, en daarmee de dichtstbijzijnde sterrenstelsels - het grootste deel van Laniakea - zich in het midden van een werkelijk gigantische leegte van ongeveer 1,5 miljard lichtjaar lang bevinden. Wetenschappers hebben de hoeveelheid straling die de aarde bereikt vanuit nabijgelegen sterrenstelsels en uit verre hoeken van het universum vergeleken. De foto zag eruit alsof de mensheid aan de uiterste rand van een metropool woont: de gloed boven een grote stad verlicht de nachtelijke hemel meer dan het licht van ramen in huizen in de buurt. Het gigantische gebied van relatieve leegte werd de KVS-leegte genoemd - naar de eerste (Latijnse) letters van de namen van de auteurs van de studie, Ryan Keenan, Amy Barger en Lennox Cowie.
Nietige PIC is nog steeds het onderwerp van discussie in de astronomengemeenschap. Het bestaan ervan zou enkele fundamentele problemen oplossen. Bedenk dat een leegte geen leegte is, maar een gebied waarin de dichtheid van sterrenstelsels 15-50% lager is dan het gemiddelde in het heelal. Als de KBC-leegte wel bestaat, zou deze lage dichtheid de discrepantie verklaren tussen de waarden van de Hubble-constante (kenmerkend voor de expansiesnelheid van het heelal) verkregen met behulp van cepheïden en door de kosmische microgolfachtergrondstraling. Deze discrepantie is een van de moeilijkste problemen van de moderne astrofysica, omdat in theorie de Hubble-constante, net als elke andere constante, niet zou moeten veranderen afhankelijk van de meetmethode. Als de Melkweg zich in een gigantische leegte bevindt, ontmoet de relikwie-straling op weg naar de aarde veel minder materie dan gemiddeld in de ruimte; hiervoor corrigeren,u kunt experimentele gegevens met elkaar in overeenstemming brengen en de uitbreidingssnelheid van het universum nauwkeurig meten.
Theorieën over de oorsprong van galactische superclusters en leegtes
Onmiddellijk na de ontdekking van superclusters van melkwegstelsels en holtes vroegen wetenschappers zich af over hun oorsprong - en vanaf het allereerste begin werd duidelijk dat men niet zonder de onzichtbare massa van het heelal kan. Een sponsachtige structuur kan geen product zijn van normale, baryonische materie, waaruit onze vertrouwde objecten en wijzelf zijn samengesteld; volgens alle berekeningen kon zijn beweging niet leiden tot de macrostructuur die vandaag wordt waargenomen in de tijd die is verstreken sinds de oerknal. Galactische superclusters en holtes konden alleen worden gegenereerd door de herverdeling van donkere materie, die veel eerder begon dan de eerste melkwegstelsels die werden gevormd.
Toen de eerste theorie echter het bestaan van draden en holtes bleek te verklaren, was de oerknal nog niet besproken. De Sovjet-astrofysicus Yakov Zeldovich, die samen met Jaan Einasto de macrostructuur begon te bestuderen, maakte zijn eerste berekeningen in het kader van het concept van donkere materie als neutrino, bekend als de theorie van hete donkere materie. Verstoringen van donkere materie die in de vroege stadia van het bestaan van het heelal optraden, veroorzaakten volgens Zeldovich het verschijnen van een cellulaire structuur ('pannenkoeken'), die later door zwaartekracht baryonische materie aantrokken en, in iets meer dan dertien miljard jaar, de waargenomen structuur vormden van galactische superclusters, filamenten en wanden en holtes ertussen.
Halverwege de jaren tachtig werd de theorie van hete donkere materie verlaten ten gunste van de theorie van koude donkere materie. Het onderscheidde zich onder andere van de neutrino-theorie door de schalen waarop de primaire inhomogeniteiten ontstonden - kleiner en daarom, zo lijkt het, niet het bestaan te verklaren van de kosmische 'spons' met zijn elementen die honderdduizenden parsec lang zijn. In de loop van de volgende twee decennia zijn astrofysici er echter in geslaagd het "pannenkoek" -model te verzoenen met de wiskunde achter "koude" donkere materie.
Moderne computersimulaties laten perfect zien hoe fluctuaties in de verdeling van donkere materie in het jonge universum galactische filamenten en holtes veroorzaakten. De bekendste van deze simulaties, uitgevoerd in het kader van het Millennium Simulation-project in 2005 op een supercomputer van het rekencentrum. Leibniz, toont de vorming van structuren die qua grootte vergelijkbaar zijn met de Laniakei-supercluster - die waarin ons sterrenstelsel ook roteert.
Anastasia Shartogasheva
