Фрактальная природа скоплений галактик в обновлённом каталоге красных смещений CfA

Почему ночное небо тёмное, но не пустое

Посмотрите вверх в ясную ночь — вы увидите разбросанные звёзды, неясную полосу Млечного Пути и, возможно, слабое пятно другой галактики. В то же время астрономы теперь считают, что во Вселенной может быть триллион галактик. Если бы материя была распределена совершенно равномерно, небо бы сияло светом во всех направлениях. Вместо этого пространство в основном тёмное, а галактики собираются в сгустки и нити, разделённые огромными пустотами. В этой статье задаётся на первый взгляд простым вопрос: следуют ли галактики скрытым «фрактальным» узорам — подобным космическим версиям ветвящихся деревьев или береговых линий — которые могут объяснить, как материя устроена на крупнейших масштабах?

От гладкой космоса к космической паутине

Современная космология часто рассматривает Вселенную как гладкую при достаточно сильном увеличении масштаба — идея, лежащая в основе стандартной модели космической эволюции, известной как ΛCDM. Но детальные карты галактик показывают нечто более сложное: длинные цепочки, листоподобные стены и огромные пустоты, вместе образующие гигантскую трёхмерную паутину. Авторы возвращаются к предложению, восходящему к математику Бенуа Мандельброту, что эту паутину можно описать с помощью фракталов — структур, повторяющих похожие узоры на многих масштабах. Вместо того чтобы предполагать, что галактики в конечном счёте сгладятся до однородного тумана, они проверяют, себя ли реальные данные ведут больше как фрактальная иерархия, где скопления, сверхскопления и нити отзываются друг о друге от малых до очень больших расстояний.

Добыча скрытых узоров в миллионе галактик

Чтобы исследовать эту идею, учёные обращаются к одному из наиболее полных ресурсов: Обновлённому каталогу красных смещений CfA (UZCAT). Эта компиляция собирает радиальные скорости — то есть скорость удаления галактик от нас в силу космического расширения — примерно для трёх четвертей миллиона галактик, взятых из нескольких крупных обзоров. По каждому измеренному красному смещению команда оценивает расстояние до галактики, используя обновлённую форму закона Хаббла. Они очищают выборку, удаляя неверно классифицированные объекты, проблемные измерения и крайние выбросы, затем группируют галактики в семь «полос» по расстоянию или скорости — от ближайших систем до тех, что удаляются со скоростью более половины скорости света. Статистические проверки показывают, что оставшиеся пробелы в данных возникают по сути случайно, поэтому вряд ли они исказят крупномасштабные структуры, которые ищет команда.

Чтение космической паутины сквозь фрактальные очки

Вместо простого подсчёта галактик в ящиках авторы применяют приёмы из изучения турбулентности и хаоса, где нормой является нерегулярное, всплескообразное поведение. Они разрезают пространство на сферические оболочки с увеличивающимися расстояниями от Солнца и вычисляют, как среднее число галактик меняется с масштабом. По этим подсчётам они строят «мультифрактальный спектр» — математический отпечаток, который показывает, насколько сильно плотные регионы и пустые пустоты вносят вклад на разных масштабах. В идеально гладкой Вселенной этот спектр сводился бы к единственному значению; во фрактальной он расширяется. Команда сравнивает наблюдаемый спектр с простым теоретическим конструктиом, называемым взвешенным множеством Кантора — классическим фракталом, созданным путём многократного вырезания средних частей отрезка и несимметричного перераспределения «веса» между оставшимися частями. Эта модель ранее использовалась для описания турбулентных плазм в солнечном ветре и лабораторных экспериментов.

Что числа говорят о космической структуре

Анализ показывает, что распределение галактик не является полностью однородным, но и не представляет собой крайне фрактальную систему. Мультифрактальный спектр, извлечённый из UZCAT, хорошо согласуется с моделями взвешенного множества Кантора, особенно для более плотных частей космической паутины. Один ключевой параметр, измеряющий ширину спектра, оказывается умеренным — примерно 0,1–0,15 — значительно меньшим, чем значения, наблюдаемые в турбулентном солнечном ветре, но большим, чем в относительно спокойной локальной межзвёздной среде за пределами влияния Солнца. Это указывает на то, что галактики следуют в основном простому правилу масштабирования с мягкими, но реальными отступлениями от однородности. Ширина и лёгкая асимметрия спектра несколько меняются между близкими и более удалёнными выборками галактик, намекая на то, что большие пустоты и тонкие отклонения от идеального хаббловского расширения могут оставлять измеримый след в том, как галактики сгущаются.

Фрактальная нотка в стандартной Вселенной

Проще говоря, исследование утверждает, что Вселенная в целом согласуется со стандартной космологической картиной, при этом в расположении галактик проявляется «фрактальная нотка». Космическая паутина, по-видимому, следует законам масштабирования, похожим на те, что встречаются в турбулентных жидкостях, и эти узоры можно описать с помощью удивительно простых фрактальных рецептов. Однако общие отклонения от гладкости достаточно малы, чтобы укладываться в современные ΛCDM-модели формирования структур. Мы по-прежнему не можем отобразить более чем крошечную часть всех галактик и не в состоянии полностью разрешить трёхмерную паутину, поэтому окончательный вердикт о том, является ли космос по-настоящему фрактальным, остаётся открытым. Пока же эта работа показывает: тёмные пробелы и светящиеся струны ночного неба не случайны — они несут тонкий отпечаток фрактального порядка, записанный на самых крупных структурах, которые мы можем наблюдать.

Цитирование: Macek, W.M., Wójcik, D. Fractal nature of galaxy clustering in the updated CfA redshift catalog. Sci Rep 16, 6181 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36013-3

Ключевые слова: скопления галактик, космическая паутина, фрактальная Вселенная, структура в больших масштабах, мультифрактальный анализ