Kosmiczne pustki nie są naprawdę puste
Na mapach wielkiej struktury między filamentami i gromadami widać ogromne „bąble” niemal pozbawione galaktyk. Nazywa się je voidami, czyli kosmicznymi pustkami. Nazwa jest jednak skrótem: są to regiony o znacznie mniejszej średniej gęstości, a nie doskonała próżnia. Mogą zawierać rozproszony gaz, ciemną materię i pojedyncze galaktyki. Hubble sfotografował galaktykę karłowatą KK 246 wewnątrz Local Void — ogromnego słabo zaludnionego obszaru sąsiadującego z Grupą Lokalną. Pustki są ważną częścią kosmicznej sieci, bo ich wzrost i kształt odzwierciedlają przepływ materii do gęstszych filamentów.
Pustka jest pojęciem względnym
W astronomii „void” oznacza obszar o wyraźnie mniejszej gęstości galaktyk niż średnia kosmiczna. Nie należy go utożsamiać z idealną próżnią bez żadnych cząstek. Nawet przestrzeń międzygalaktyczna zawiera rozrzedzony gaz i ciemną materię. Granice voidu również nie są twardą powierzchnią; zależą od metody wykrywania struktur i skali wygładzania. Pustka jest więc statystycznym regionem wielkiej struktury, nie dziurą wyciętą z Wszechświata.
Local Void ma własne galaktyki
NASA opisuje KK 246 jako galaktykę karłowatą znajdującą się w Local Void, obszarze o rozmiarze co najmniej około 150 milionów lat świetlnych. Na zdjęciu Hubble’a widać także liczne galaktyki tła, które w rzeczywistości znajdują się poza pustką. Sam fakt istnienia KK 246 dobrze pokazuje, że nazwa „void” nie oznacza absolutnej pustki. Obiekty po prostu są tam znacznie rzadsze.
Jak powstają pustki
Jeśli we wczesnym Wszechświecie region miał nieco mniejszą gęstość od średniej, jego grawitacja słabiej przyciągała materię. Sąsiednie gęstsze obszary zyskiwały przewagę i ściągały coraz więcej materiału ku filamentom. Pustka stawała się coraz bardziej rozrzedzona względem otoczenia. W sensie względnym voidy rosną i mogą się łączyć, podczas gdy ich materia odpływa ku ścianom kosmicznej sieci.
Galaktyka w pustce żyje inaczej
Rzadkie środowisko oznacza mniej bliskich spotkań i mergerów niż w gromadzie. Dopływ gazu, masa halo i historia formowania gwiazd mogą więc różnić się statystycznie. Astronomowie porównują galaktyki voidowe z podobnymi systemami w filamentach, aby oddzielić wpływ środowiska od masy samej galaktyki. Pustki stają się w ten sposób naturalnymi laboratoriami ewolucji w bardzo słabo zatłoczonym kosmosie.
Dlaczego voidy interesują kosmologów
Rozkład i rozmiary pustek zależą od sposobu wzrostu struktur, zawartości materii i historii ekspansji. Ponieważ regiony te są słabiej nieliniowe niż centra gromad, mogą dostarczać informacji komplementarnych do klasycznych statystyk galaktyk. Współczesne przeglądy analizują ich kształty, ruchy galaktyk na obrzeżach i soczewkowanie, aby testować modele kosmologiczne oraz grawitację.
Pusta przestrzeń nadal zawiera materię
Między galaktykami występuje niezwykle rozrzedzony gaz, głównie wodór i hel, wzbogacony z czasem pierwiastkami wyrzuconymi przez gwiazdy i supernowe. W voidach gęstość jest mniejsza, ale nie zerowa. Ciemna materia również tworzy delikatne struktury. Gdy wizualizacja kosmicznej sieci pokazuje czarne bąble, to efekt sposobu prezentacji ogromnego kontrastu gęstości, nie dosłowna mapa kompletnej nicości.
Najwięcej Wszechświata wygląda jak „nic”
Filamenty przyciągają uwagę, bo to tam znajdują się galaktyki, lecz ogromna część objętości kosmicznej leży w regionach o niskiej gęstości. To ciekawa zmiana perspektywy: największa znana struktura materii jest w dużej mierze zdefiniowana przez rozległe obszary pomiędzy nićmi. Aby zrozumieć sieć, trzeba badać zarówno jej jasne węzły, jak i prawie puste wnętrza bąbli.
Pustki mogą być czułym testem ciemnej energii i grawitacji
W gęstych gromadach ewolucja staje się bardzo nieliniowa: mergers, gaz i sprzężenie zwrotne komplikują przejście od prostego modelu do obserwacji. Voidy są pod pewnym względem czystsze. Ich kształt i tempo opróżniania zależą od wzrostu struktury oraz ekspansji. Statystycznie losowo zorientowane pustki powinny być średnio kuliste; jeśli przy przeliczaniu redshiftu na odległość przyjmie się złą kosmologię, mogą wyglądać systematycznie rozciągnięte lub spłaszczone — jest to wariant testu Alcocka–Paczyńskiego. Również słabe soczewkowanie wokół voidów mierzy deficyt masy. Tak „prawie nic” staje się narzędziem do badania fundamentalnych parametrów Wszechświata.
Void może rosnąć, gdy materia odpływa ku gęstszym regionom
Kosmiczne pustki nie są miejscami, które na początku historii Wszechświata zostały pozostawione absolutnie bez materii. Powstały z niewielkich obszarów o gęstości trochę mniejszej od średniej. Grawitacja sprawiała, że materia była skuteczniej przyciągana ku sąsiednim, gęstszym rejonom, przez co kontrast stopniowo narastał. W efekcie pustka może zwiększać swój rozmiar i stawać się coraz bardziej niedogęszczona, podczas gdy jej otoczenie buduje filamenty i ściany. Jest to ten sam proces wzrostu struktur, który tworzy gromady, tylko oglądany od strony miejsc tracących materię. „Pustka” i „filament” są więc dwiema stronami tej samej ewolucji grawitacyjnej.