АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 84, № 10, с. 874-884
УДК 524.8-8
О НАСЕЛЕНИИ КОСМОЛОГИЧЕСКИХ ПУСТОТ
© 2007 г. Н. А. Архипова, Б. В. Комберг, В. Н. Лукаш, Е. В. Михеева
Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН,
Москва, Россия Поступила в редакцию 12.10.2006 г.; принята в печать 05.04.2007 г.
В рамках модели иерархического скучивания рассмотрен вопрос об основном населении космологических "пустот" (войдов). На основании формализма Пресса—Шехтера, модифицированного для применения в областях Вселенной с пониженной или повышенной плотностью вещества, построены функции масс гравитационно-связанных объектов темной материи в войдах или сверхскоплениях, соответственно. Показано, что функции масс гало в войдах и сверхскоплениях значительно различаются. В частности, пространственная плотность массивных (М ~ 1012 М®) гало в войдах в несколько раз меньше, чем их плотность в сверхскоплениях, а для больших масс различие в функциях масс еще более велико. Согласно проведенным расчетам значительная доля массы вещества в войдах должна сохраниться к сегодняшнему дню в форме первичных гравитационно-связанных объектов (ПО) небольшой массы (до 10% для Мпо < 109 М®), удерживающих барионы. Эти ПО являются "первичными блоками" модели иерархического скучивания. Приведены аргументы в пользу того, что старейшие шаровые скопления в центральных областях массивных галактик являются звездными остатками ПО: они могли образоваться в молекулярных облаках ПО и лишь позднее были захвачены в центральные области массивных галактик в ходе гравитационного скучивания. ПО в войдах могут наблюдаться как слабые карликовые галактики или в виде абсорбционных систем Ly-a.
PACS: 98.65.Dx, 95.35^, 98.80.-k
1. ВВЕДЕНИЕ
Многолетние исследования пространственного распределения гравитационно-связанных объектов (вириализованных гало темной материи), наблюдаемых как индивидуальные галактики, группы и скопления галактик, на масштабах до ^300 Мпк демонстрируют существование крупномасштабной структуры Вселенной (КМС), элементами которой являются [1—6]:
1) филаменты — линейные структуры разного богатства протяженностью до десятков Мпк и толщиной в несколько Мпк;
2) стенки — плоские структуры с размерами в десятки Мпк и толщиной в несколько Мпк, заполненные филаментами;
3) узлы — богатые скопления галактик с размерами в несколько Мпк, расположенные в местах пересечения филаментов;
4) сверхскопления — протяженные области
пространства размером до десятков Мпк, запол-
ненные стенками, филаментами и узлами;
5) космологические "пустоты" (войды)1 — протяженные области размером до сотни Мпк, в которых отсутствуют яркие галактики и скопления галактик.
Из всех элементов КМС войды занимают наибольший объем (не менее 50% объема Вселенной [7—10]) и уже поэтому представляют значительный интерес. Однако ввиду того, что население войдов составляют трудные для наблюдения неяркие объекты, космологические "пустоты" до сих пор остаются наименее исследованным элементом КМС.
Статистический анализ войдов включает в себя исследование таких величин, как характерный размер войда, его эллиптичность, радиальный профиль плотности. Широко используемой характеристикой является функция вероятности войда — вероятность того, что в сфере заданного радиуса вокруг случайно взятой точки нет ни одной
1 Термин космологические "пустоты" отражает тот факт, что на двумерных (проекционных) картах неба некоторые участки кажутся пустыми. На самом деле в космологических "пустотах" может содержаться значительная часть вещества Вселенной, т.е. "пустоты" не пустые. По этой причине вместо выражения космологические "пустоты" мы предпочитаем употреблять используемый в устной речи термин "войд" (от английского "void").
галактики заданной светимости. В случае непрерывного распределения вещества войд естественно характеризовать средней плотностью вещества в заданном объеме.
Итак, войды определяют как лакуны в пространственном распределении галактик. Однако это простое определение, по умолчанию подразумевающее полное отсутствие галактик в войдах, всегда требует дополнительных уточнений. В первую очередь, такое уточнение касается яркости галактик, по которым в пространственном распределении галактик определяют войд. И анализ наблюдательных данных, и численный эксперимент показывают, что характерные размеры войдов, выделяемых по галактикам невысокой светимости, меньше, чем размер войда, определяемого по более ярким объектам [11, 12]. С другой стороны, современные наблюдательные данные показывают, что эту тенденцию нельзя интерполировать вплоть до объектов совсем малой яркости [13—17], и существовавшее долгое время мнение, что войды вовсе не видны в распределении галактик-карликов, не соответствует действительности. По изложенным выше причинам выделение войдов из наблюдательных данных оказывается достаточно сложной и неоднозначной задачей (см., например, [18—25]). В контексте дискуссии о размерах войда в [26] было сделано важное замечание о том, что основная причина различия в размерах войдов связана с разницей в концентрациях галактик разных типов, а не обусловлена особенностями их кластеризации, или что, по крайней мере, необходимо различать следствия двух этих разных причин.
Помимо вышеизложенного чисто наблюдательного подхода, в описании войдов существует и другой — аналитико-численный. В отличие от наблюдательного подхода, состоящего, как уже было сказано, в исследовании пространственного распределения галактик — светящегося вещества, аналитико-численный подход базируется на анализе пространственного распределения гравитационно-связанных объектов темной материи. Очевидно, что распределения светящегося и динамически доминирующего во Вселенной темного вещества связаны между собой, однако эта связь носит нетривиальный характер в силу целого ряда физических эффектов, и о зависимости вида этой связи от того или иного параметра можно уверенно говорить лишь a posteriori.
К числу наиболее известных примеров анали-тико-численного подхода к исследованию КМС относятся метод Пресса—Шехтера (далее ПШ) расчета функции масс (ФМ) гравитационно-связанных объектов, а также численные методы моделирования процессов образования КМС. Поскольку в рамках аналитико-численного подхода переход от гравитационно-связанного гало к
галактике (скоплению галактик) требует дополнительных гипотез и моделей, более естественным оказывается определение войда как трехмерной области пониженной (относительно среднего значения) плотности вещества. Соответственно, в рамках этой концепции сверхскопление логично определить как трехмерную область пространства с повышенной плотностью материи. Оба подхода в определении войда не лишены недостатков, но необходимость унификации его определения, которое можно было бы использовать в любом методе, привело к определению войда как области пространства с заданным (отрицательным) уровнем контраста плотности вещества, что совпадает с определением войда в рамках аналитико-численного подхода.
Важной характеристикой войдов является функция масс населяющих их гало. Наблюдения показывают, что ближайшие к нам космологические "пустоты" обеднены и нормальными, и карликовыми галактиками [27, 28], однако встречаются слабые эмиссионные галактики и газовые облака, которые проявляют себя в наблюдениях в виде ультрафиолетовых линий поглощения в спектрах расположенных за войдами квазаров или ярких галактик, а также линий поглощения нейтрального водорода (21 см) в спектрах удаленных радиоисточников [11, 29—36]. Особого интереса заслуживают появившиеся данные по фотометрии галактик, обнаруженных в войдах [37, 38]. Наблюдения показывают, что эти галактики в среднем имеют меньшую светимость, чем галактики, принадлежащие другим компонентам КМС, хотя наклоны их функций светимости практически не отличаются друг от друга. Вопрос о вхождении в войды еще более слабых объектов, таких, как галактики, еще не прошедшие стадию звездообразования, и еще менее массивных систем, возможно, генетически связаны с первичными объектами (ПО) модели иерархического скучивания или даже являющихся самими сохранившимися ПО, пока остается открытым.
Как уже было упомянуто, построение ФМ галактик, входящих в войды, является весьма трудоемкой задачей. Однако она перестала быть безнадежной с появлением новых обширных каталогов галактик.
Так, при анализе каталога SDSS, содержащего десятки тысяч объектов, исследователям удалось выделить 1000 изолированных галактик, находящихся в войдах со средним контрастом плотности вещества ^ ~ —0.6 [39]. Интересно, что галактики в войдах имеют при одинаковой светимости более голубой цвет, чем галактики в более плотных областях. Причиной этого явления может быть продолжающееся звездообразование, уже закончившееся
в галактиках, расположенных в "стенках" (см., например, [40]).
Численное моделирование космологических моделей с холодной компонентой темной материи, проводившееся с использованием различных программных кодов и предположений о начальном
2
спектре возмущений плотности , существенно продвинуло исследование формирования КМС и, в частности, ФМ в войдах. Начиная процесс образования КМС при красном смещении z ~ 20 с затравочными массами M ~ 105 M©, удается к z ~ 0 получить сходное с наблюдаемым пространственное распределение гравитационно-связанных систем с типичными массами ~1012 —1013 Mq [43— 48]. При этом вся темная материя входит в состав вириализованных гало всевозможных масс, а средняя плотность материи внутри гало в момент его образования в ^200 раз превышает среднюю плотность во Вселенной.
Вопрос о природе и обнаружении маломассивных гравитационно-связанных ПО, состоящих из темной материи и барионов, стоит довольно давно и до сих пор не имеет однозначного ответа. Например, авторы [49] допускали формирование ПО, сходных по свойствам с протошаровыми скоплениями, при z ^ 1 за счет джинсовской неустойчивости. С другой стороны, газ может "втекать" в гравитационные ямы и удерживаться гравитационным полем темной материи, если масса ПО достаточно велика (> 106 Mq). Численный эксперим
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.