Крупномасшта́бная структу́ра Вселе́нной, строение Вселенной на масштабах, существенно превышающих размеры отдельных галактик, т. е. от нескольких мегапарсек до сотен мегапарсек. Отдельные галактики в космологии выступают как «пробные частицы»; объекты меньших размеров не рассматриваются. В крупномасштабной структуре Вселенной выделяют скопления и сверхскопления галактик, филаменты (нити, или цепочки, из галактик), а также гигантские «стенки», образованные галактиками, между которыми находятся войды – большие пусто́ты, почти не содержащие галактик. Такое распределение вещества было предсказано в работах Я. Б. Зельдовича, А. Г. Дорошкевича и С. Ф. Шандарина в 1970-е гг. Крупномасштабная структура Вселенной была открыта в конце 1970-х – 1980-е гг. советскими астрономами под руководством Я. Эйнасто и американскими астрономами под руководством Р. Киршнера.

Теория образования крупномасштабной структуры Вселенной

Для того чтобы к настоящему моменту времени во Вселенной образовалась чётко выраженная крупномасштабная структура, необходимо, чтобы в ранней Вселенной существовали микроскопические пространственные неоднородности (флуктуации) плотности вещества (первичные возмущения плотности). Теоретические исследования формирования структуры из малых возмущений плотности под действием их собственной гравитации (вследствие гравитационной неустойчивости) проводили Дж. Джинс, Е. М. Лифшиц, Дж. Пиблс и др. После возникновения идеи о присутствии в нашей Вселенной тёмной материи и о её влиянии на формирование структуры удалось сформулировать самосогласованную и подтверждённую наблюдениями теорию крупномасштабной структуры.

Флуктуации плотности существуют для всех типов вещества во Вселенной, но для образования структур важнейшую роль играют флуктуации тёмной материи и плазмы, состоящей из барионов и фотонов. Флуктуации характеризуются контрастами плотности тёмного $δ_m$ и барионного $δ_p$ вещества, которые являются функциями пространственных координат и времени:

$$\delta_m({\boldsymbol r},t)=\frac{\rho_m({\boldsymbol r},t)-\left\langle\rho_m\right\rangle}{\left\langle\rho_m\right\rangle},$$$$\delta_p({\boldsymbol r},t)=\frac{\rho_p({\boldsymbol r},t)-\left\langle\rho_p\right\rangle}{\left\langle\rho_p\right\rangle}.$$Здесь $\rho_m({\boldsymbol r},t)$ и $\rho_p({\boldsymbol r},t)\ –$ плотности тёмного и барионного компонентов материи соответственно, $\left\langle\rho_m\right\rangle$ и $\left\langle\rho_p\right\rangle –$ усреднённые по пространству плотности этих компонентов, ${\boldsymbol r}\ -$ радиус-вектор точки пространства, $t\ –$ момент времени. Частицы тёмной материи движутся под действием двух факторов: гравитационного поля множества частиц и расширения Вселенной. Решение, описывающее растущий со временем $t$ контраст плотности, имеет вид:

$${\boldsymbol r}({\boldsymbol \xi},t)=a(t)\left[{\boldsymbol \xi}+b(t){\boldsymbol \psi}({\boldsymbol \xi})\right]. \tag{1}$$Здесь ${\boldsymbol r}\ –$ трёхмерный вектор, описывающий движение частицы, которая имеет в начальный момент времени положение ${\boldsymbol \xi}.$ Функция $a(t)\ –$ масштабный фактор, который в эпоху доминирования материи зависит от времени по закону $\displaystyle a(t)\propto t^{2/3}.$ Функция $b(t)$ выбирается таким образом, чтобы её произведение на масштабный фактор менялось со временем по закону $\displaystyle a(t)b(t)\propto t^{4/3}.$ Величина ${\boldsymbol\psi}({\boldsymbol \xi})\ –$ непрерывно дифференцируемая функция положения частицы.

Первый член суммы в формуле (1) описывает хаббловское расширение вещества во Вселенной; второй член, $a(t)b(t){\bf\psi}({\bf\xi})\ –$ это смещение каждой частицы из её невозмущённого положения. При описании сплошной среды Вселенной вектор $\boldsymbol r$ является эйлеровой координатой, а ${\boldsymbol \xi}\ -$ лагранжевой координатой. Из формулы (1) можно вывести изменения плотности в эйлеровых координатах в зависимости от возмущений плотности в лагранжевых координатах (т. е. в начальный момент времени); соответствующее уравнение задаётся умножением плотности в лагранжевых координатах на якобиан преобразования от одной системы координат к другой. Поскольку движение происходит под действием гравитационного поля, то функция $\boldsymbol\psi$ является потенциальной:

$${\boldsymbol\psi}({\boldsymbol\xi})={\rm grad}_{\boldsymbol\xi}\varphi,$$где $\varphi\ –$ некая гладкая функция координат. В этом случае соответствующие оси можно выбрать так, чтобы выполнялись условия:

$$\displaystyle \frac{\partial^2\varphi}{\partial\xi_1^2}=-\alpha,\ \ \ \ \ \frac{\partial^2\varphi}{\partial\xi_2^2}=-\beta,\ \ \ \ \ \frac{\partial^2\varphi}{\partial\xi_3^2}=-\gamma,$$$$\displaystyle \frac{\partial^2\varphi}{\partial\xi_1\partial\xi_2}=\frac{\partial^2\varphi}{\partial\xi_1\partial\xi_3}=\frac{\partial^2\varphi}{\partial\xi_3\partial\xi_2}=0,$$где символы $\alpha,$ $\beta,$ $γ$ введены для обозначения вторых производных; $\xi_1,$ $\xi_2,$ $\xi_3\ –$ начальные координаты частицы (компоненты вектора $\boldsymbol\xi$). Пусть оси выбраны так, что $α>β>γ.$ Тогда при умножении на якобиан преобразования $\left\{\boldsymbol\xi\right\}\rightarrow\left\{\boldsymbol r\right\},$ который есть определитель 3×3 матрицы $\left|\frac{d\bf r}{d\bf\xi}\right|,$ контраст плотности как функция времени приобретает вид:

$$\delta({\boldsymbol r},t)=\frac {\delta({\boldsymbol\xi},t)}{(1-b(t)\alpha)(1-b(t)\beta)(1-b(t)\gamma)}.$$Это решение называется приближением Зельдовича.

Условие $1\!-\!b(t)\alpha=0$ определяет момент, когда контраст плотности обращается в бесконечность. В тот же момент времени остальные выражения в скобках не равны нулю: $1\!-\!b(t)\beta\neq0,\$ $1\!-\!b(t)\gamma\neq0.$ Из равенства нулю якобиана преобразования видно, что эта бесконечность обусловлена пересечением траекторий двух соседних частиц, лежащих на оси $\xi_1.$ Причём возмущения вдоль других осей, $\xi_2$ и $\xi_3,$ конечны. Такая приближённая картина поясняет образование тонких «блинов» тёмной материи, на которые происходит «натекание» барионного вещества.

Рост возмущений плотности при формировании структуры происходит в 2 этапа. Сначала начинается формирование структуры в тёмной материи при красном смещении $z\approx3400.$ В барионном веществе рост возмущений в это время невозможен, поскольку ему препятствует радиационное торможение (торможение Силка). Барионы становятся свободными от радиационного торможения начиная с эпохи рекомбинации, при $z\approx1090.$ Контраст плотности тёмной материи к этому моменту значительно повышается. Вследствие гравитационного притяжения барионное вещество скапливается в областях повышенной плотности тёмной материи. Таким образом формируются «стенки» крупномасштабной структуры.

Барионно-фотонная плазма состоит в основном из водорода и гелия, а также из фотонов (которые после рекомбинации образуют реликтовое излучение), поэтому в таком веществе, помимо гравитационных сил, имеются силы давления. Уравнение эволюции возмущений имеет вид, аналогичный уравнению колебаний, а его решение на момент окончания рекомбинации содержит слагаемое, которое имеет зависимость от волнового числа вида

$$\delta_B(t_r)=F(k)\cos{(kr_s)}.$$Рис. 1. Спектры мощности флуктуаций плотности вещества в момент окончания рекомбинации, с учётом барионных акустических осцилляций. По вертикальной оси – величина мощности спектра, по горизонтальной – волновое число [h – современное значение параметра Хаббла, выраженное в единицах 100 км/(с∙Мпк)]. Верхняя и нижняя кривые построены для разных значений параметра плотности барионного вещества, параметра плотности тёмной материи и параметра Хаббла. График из статьи: Eisenstein D. Large-Scale Structure and Future Surveys. 2003. Перевод и адаптация: БРЭ.Рис. 1. Спектры мощности флуктуаций плотности вещества в момент окончания рекомбинации, с учётом барионных акустических осцилляций. По вертикальной оси – величина мощности спектра, по горизонтальной – волновое число [h – современное значение параметра Хаббла, выраженное в единицах 100 км/(с∙Мпк)]. Верхняя и нижняя кривые построены для разных значений параметра плотности барионного вещества, параметра плотности тёмной материи и параметра Хаббла. График из статьи: Eisenstein D. Large-Scale Structure and Future Surveys. 2003. Перевод и адаптация: БРЭ.Здесь $\delta_B\ -$ возмущение плотности барионов, $t_r\ -$ время рекомбинации, $F(k)\ -$ амплитуда спектра мощности первичных возмущений плотности, $r_s\ -$ акустический горизонт на момент рекомбинации, $k\ -$ волновое число. Спектр мощности первичных флуктуаций плотности $F^2(k),$ порождённых во время инфляционной стадии расширения Вселенной, умножается на периодическую функцию $\cos^2(kr_s),$ которая обращается в нуль при $\displaystyle kr_s=\pi/2+n\pi.$ Это приводит к искажению степенного вида спектра мощности флуктуаций (рис. 1).

Каждый пик в спектре мощности соответствует пику в корреляционной функции плотности распределения вещества (галактик). Осцилляции в спектре барионов были впервые рассмотрены А. Д. Сахаровым, поэтому они также называются «сахаровскими осцилляциями».

Наблюдательные исследования крупномасштабной структуры Вселенной

В 1960–1970-е гг. считалось общепризнанным, что скопления галактик являются самыми крупными из существующих структур и что они распределены равномерно по всей Вселенной. Однако в 1970-е гг. были обнаружены более крупные структуры.

В конце 1970-х гг. Я. Эйнасто и его сотрудники открыли структуру, более масштабную, чем скопления галактик, и назвали эту структуру цепочкой скоплений в созвездии Персей. Длина этой цепочки оценивается в 300 Мпк. В 1981 г. Р. Киршнер с сотрудниками обнаружили 2 области галактик, разделённые пустым пространством. Объём пустой области составлял 10⁶ Мпк³. Области, заполненные галактиками, представляли собой уплощённые структуры, которые перемежались гигантскими пустотами. Так была открыта «сотовая» структура Вселенной.

Эти открытия способствовали появлению нескольких крупных астрономических проектов, посвящённых исследованиям распределения галактик во Вселенной. Это обзоры неба CfA, 2dF, 2MASS. После начала работы над самым известным и самым полным по охвату небесной сферы обзором – SDSS – стали постоянно появляться новые результаты. Этот обзор был организован венгерским астрономом и специалистом по компьютерным технологиям А. Салаи и на 2023 г. покрывает 40 % небесной сферы. В результате этих обзоров были открыты несколько крупномасштабных структур, называемых «стенами». В теории такие структуры были названы «блинами», но впоследствии в бо́льшей степени прижилось название «большая стена», или «великая стена».

На сегодняшний день астрономы выделяют несколько структур, которые получили собственные имена:

• Великая стена CfA (примерные размеры: длина 250 Мпк, ширина 80 Мпк, толщина 7 Мпк);

• Великая стена SDSS (длина 430 Мпк);

• Великая стена в созвездии Скульптор (длина 115 Мпк, ширина 70 Мпк, толщина 14 Мпк);

• Великая стена в созвездиях Геркулес – Северная Корона (самая большая из «великих космических стен»: длина 3 Гпк, толщина 2 Гпк).

Открыты ещё несколько «стен», меньшего размера, и филаментов – крупных нитевидных структур, образованных галактиками и соединяющих скопления галактик. «Стены», филаменты и скопления галактик образуют своеобразную космическую «паутину» – крупномасштабную структуру Вселенной (рис. 2).

Рис. 2. Наблюдаемая крупномасштабная структура Вселенной, по данным обзора неба SDSS. На рисунке видны две «великие стены» (CfA2 и SDSS) в одинаковом масштабе. Вдоль радиальной координаты указано расстояние до галактик, вдоль окружности – прямое восхождение. Также указано общее количество галактик в каждом срезе. Иллюстрация из статьи: A Map of the Universe / Richard Gott III J. [et al.] // The Astrophysical Journal. 2005. Vol. 624, № 2. P. 463–484.Рис. 2. Наблюдаемая крупномасштабная структура Вселенной, по данным обзора неба SDSS. На рисунке видны две «великие стены» (CfA2 и SDSS) в одинаковом масштабе. Вдоль радиальной координаты указано расстояние до галактик, вдоль окружности – прямое восхождение. Также указано общее количество галактик в каждом срезе. Иллюстрация из статьи: A Map of the Universe / Richard Gott III J. [et al.] // The Astrophysical Journal. 2005. Vol. 624, № 2. P. 463–484.Ещё одним инструментом исследования крупномасштабной структуры является «лес» линий лайман-альфа. Это совокупность линий поглощения, появляющихся в спектрах света от квазаров, которые интерпретируются как указание на существование между квазарами и наблюдателем тонких «блинов» межгалактического газа (в основном водорода). Эти тонкие структуры, по-видимому, связаны с формированием галактик.

Существует гравитационная аномалия, называемая Великим аттрактором, которая влияет на движение галактик в области сотен миллионов световых лет в поперечнике. Все эти галактики имеют красное смещение, соответствующее закону Хаббла. Это указывает на то, что они удаляются от нас и друг от друга, но вариаций их красного смещения достаточно, чтобы выявить существование концентрации массы, эквивалентной десяткам тысяч галактик. Великий аттрактор, открытый в 1986 г., находится на расстоянии от 50 до 80 Мпк в направлении созвездий Гидра и Кентавр. В его окрестностях преобладают крупные галактики.

Рис. 3. Корреляционная функция распределения плотности галактик, по данным обзора SDSS. По вертикальной оси отложена величина корреляционной функции в логарифмическом масштабе. По горизонтальной оси отложено сопутствующее расстояние между галактиками [h – современное значение параметра Хаббла, выраженное в единицах 100 км/(с∙Мпк)]. Сплошные линии – результат теоретического расчёта, точки – наблюдательные данные. Вертикальными отрезками показаны ошибки наблюдений. График из статьи: Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies / Eisenstein D. J. [et al.] // The Astrophysical Journal. 2005. Vol. 633, № 2. P. 560–574. Перевод: БРЭ.Рис. 3. Корреляционная функция распределения плотности галактик, по данным обзора SDSS. По вертикальной оси отложена величина корреляционной функции в логарифмическом масштабе. По горизонтальной оси отложено сопутствующее расстояние между галактиками [h – современное значение параметра Хаббла, выраженное в единицах 100 км/(с∙Мпк)]. Сплошные линии – результат теоретического расчёта, точки – наблюдательные данные. Вертикальными отрезками показаны ошибки наблюдений. График из статьи: Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies / Eisenstein D. J. [et al.] // The Astrophysical Journal. 2005. Vol. 633, № 2. P. 560–574. Перевод: БРЭ.В начале 21 в. астрономы, работающие в проекте SDSS, открыли барионные акустические осцилляции (БАО), предсказанные стандартной космологической теорией. БАО проявляются в виде заметных особенностей корреляционной функции распределения масс. В среднем плотность массы должна быть равномерно распределена в пространстве, но из-за малых возмущений плотность различается по величине в разных точках пространства. Возмущения должны представлять собой гауссово случайное поле. Однако из-за БАО существует корреляционная зависимость в распределении массы по пространству, что отражается также в корреляционных функциях распределения галактик (рис. 3). В случае наличия крупномасштабной структуры вероятность нахождения концентраций масс на расстояниях около 150 Мпк превышает соответствующую вероятность в случае однородного распределения масс. Отличие в вероятностях количественно определяется корреляционной функцией. Масштаб 150 Мпк есть размер акустического горизонта на момент рекомбинации, возросший из-за расширения Вселенной.