Gdy patrzymy na zdjęcia głębokiego kosmosu, zauważamy, że galaktyki nie są rozmieszczone przypadkowo. Tworzą ogromne sieci, włókna, ściany i puste przestrzenie, które razem budują tak zwaną kosmiczną sieć. Jednym z najważniejszych pytań współczesnej kosmologii jest więc: w jaki sposób powstała ta wielkoskalowa struktura Wszechświata?
Astronomowie i fizycy teoretyczni zaproponowali kilka modeli, które próbują wyjaśnić ten proces. Najbardziej znane z nich to:
- model „naleśnika” Jakowa Zeldowicza,
- model hierarchicznego grupowania,
- podejście fraktalne.
Każdy z nich opisuje inny sposób formowania się galaktyk, gromad i ogromnych struktur kosmicznych.
Model „naleśnika” Zeldowicza
Jednym z pierwszych poważnych modeli wyjaśniających powstawanie struktur we Wszechświecie był tzw. model naleśnika. Zaproponował go na początku lat 70. XX wieku rosyjski fizyk i kosmolog Jakow Zeldowicz.
Model ten należy do teorii określanych jako „z góry do dołu” (top-down). Oznacza to, że według tej koncepcji najpierw powstawały ogromne struktury kosmiczne, a dopiero później dzieliły się one na mniejsze elementy.
Jak miał wyglądać ten proces?
We wczesnym Wszechświecie materia była niemal równomiernie rozłożona, ale występowały w niej niewielkie zagęszczenia. Z czasem grawitacja zaczęła wzmacniać te różnice. W wyniku tego procesu ogromne obszary materii zaczęły zapadać się w określonych kierunkach.
Zgodnie z obliczeniami Zeldowicza materia miała tworzyć ogromne, spłaszczone struktury przypominające cienkie warstwy – właśnie dlatego nazwano je „naleśnikami”.
Te gigantyczne płaszczyzny materii następnie:
- zapadały się pod wpływem grawitacji,
- stawały się coraz gęstsze,
- zaczynały pękać i rozpadać się na mniejsze fragmenty.
Z takich fragmentów powstawały galaktyki, a później także gromady galaktyk.
Model ten dobrze tłumaczy obserwowany fakt, że galaktyki często układają się w długie włókna i ściany, które oddzielają ogromne kosmiczne pustki.
Model hierarchicznego grupowania
Inną koncepcję zaproponował amerykański kosmolog James (Jim) Peebles z Uniwersytetu Princeton, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 2019 roku. Jego teoria znana jest jako model hierarchicznego powstawania struktur.
Ten model należy do teorii „z dołu do góry” (bottom-up). Oznacza to, że najpierw powstawały małe obiekty, a dopiero później łączyły się w coraz większe struktury.
Według tej koncepcji proces wyglądał następująco:
- W młodym Wszechświecie niewielkie zagęszczenia materii zapadały się pod wpływem grawitacji.
- Z tych zagęszczeń powstawały pierwsze galaktyki lub ich zalążki.
- Galaktyki zaczęły się przyciągać i tworzyć grupy galaktyk.
- Z grup powstawały gromady galaktyk, a następnie supergromady.
W miarę jak materia skupiała się w coraz większych strukturach, pomiędzy nimi zaczęły powstawać ogromne obszary niemal pozbawione galaktyk. Takie regiony nazywamy dziś pustkami kosmicznymi.
Model hierarchiczny jest obecnie bardzo ważny w kosmologii, ponieważ dobrze współgra z teoriami dotyczącymi ciemnej materii, która odgrywa kluczową rolę w powstawaniu struktur kosmicznych.
Podejście fraktalne
Trzecia koncepcja opiera się na idei fraktali. Fraktale to struktury matematyczne, które mają niezwykłą właściwość – są samopodobne, czyli wyglądają podobnie w różnych skalach.
Dobrym przykładem fraktala w przyrodzie jest linia brzegowa lub gałęzie drzewa – niezależnie od tego, czy patrzymy z bliska, czy z daleka, widzimy podobne wzory.
W kosmologii pojawiła się hipoteza, że rozmieszczenie galaktyk może mieć charakter fraktalny. Według tego podejścia:
- struktury w kosmosie powstawały jednocześnie na wielu skalach,
- podobne mechanizmy prowadziły do powstawania galaktyk, gromad i supergromad,
- struktura Wszechświata mogła wyglądać podobnie niezależnie od skali obserwacji.
Innymi słowy, układ galaktyk mógł przypominać kosmiczny wzór, który powtarza się w różnych rozmiarach.
Jak wygląda to według współczesnej kosmologii?
Dzisiejsze obserwacje – zwłaszcza te wykonane przez duże przeglądy nieba oraz symulacje komputerowe – wskazują, że najlepiej sprawdza się model hierarchiczny, wzbogacony o wpływ ciemnej materii.
Współczesny obraz Wszechświata przedstawia go jako ogromną kosmiczną sieć złożoną z:
- włókien galaktyk,
- rozległych ścian galaktycznych,
- gromad i supergromad,
- ogromnych pustek między nimi.
Ta sieć zaczęła się formować już bardzo wcześnie – z niewielkich zaburzeń gęstości materii, które powstały krótko po Wielkim Wybuchu.
Dlaczego badanie struktury Wszechświata jest ważne?
Zrozumienie, w jaki sposób powstawały galaktyki i wielkie struktury kosmiczne, pozwala astronomom odpowiedzieć na jedne z najważniejszych pytań współczesnej nauki:
- jak wyglądał młody Wszechświat,
- jaka jest rola ciemnej materii i ciemnej energii,
- dlaczego galaktyki tworzą kosmiczną sieć zamiast być rozmieszczone losowo.
Badania te pomagają również lepiej zrozumieć historię naszego kosmicznego otoczenia oraz miejsce, jakie zajmuje w nim Droga Mleczna.