"Элегантное" решение показывает, как Вселенная получил свое строение

Вселенная наполнена миллиардами галактик, но их распределение по космосу далеко не равномерное. Почему мы сегодня видим такую структуру Вселенной и как это все формировалось и росло?

Об этом говорится в пресс-релизе Института наук Карнеги, США.

10-летний опрос десятков тысяч галактик, проведенный с помощью телескопа Магеллана Бааде в обсерватории Карнеги в Лас-Кампанас в Чили, предложил новый подход к ответу на эту фундаментальную тайну. Результаты под руководством Дэниэла Кельсона из Карнеги были опубликованы в Ежемесячных сообщениях Королевского астрономического общества (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society).

«Как описать неописуемое?, - задает вопрос Кельсон. - С помощью совершенно нового подхода к проблеме».

«Наша тактика предоставляет новые – и интуитивно понятные – представления о том, как гравитация привела к росту структуры Вселенной с ее самых ранних времен, - говорит соавтор Эндрю Бенсон. - Это прямой, основанный на наблюдениях тест одной из основ космологии».

Исследование Кернеги-Спитцера-IMACS был разработан для изучения взаимосвязи между ростом галактик и окружающей средой в течение последних 9 миллиардов лет, с тех пор, когда были определено проявление современных галактик.

Первые галактики образовались спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, положившего начало Вселенной в виде горячего мутного супа из чрезвычайно энергичных частиц. По мере того, как этот материал расширялся наружу от первоначального взрыва, он охлаждался, и частицы соединялись в нейтральный газ водород. Некоторые части были плотнее других, и, наконец, их сила притяжения преодолела внешнюю траекторию Вселенной, и материал обрушился внутрь, образовав первые сгустки структуры в космосе.

Перепады плотности, которые позволили в одних местах образовывать структуры как большие, так и маленькие, а в других местах - нет, были давней темой обаяния. Но до сих пор возможности астрономов моделировать то, как росли структуры во Вселенной в течение последних 13 миллиардов лет, сталкивались с математическими ограничениями.

«Гравитационные взаимодействия, возникающие между всеми частицами Вселенной, слишком сложны, чтобы объяснить их простой математикой», - отметил Бенсон.

Так, астрономы использовали или математические приближения – которые посягали на точность их моделей – или большие компьютерные симуляции, которые численно моделируют все взаимодействия между галактиками, но не все взаимодействия между всеми частицами, что считалось слишком сложным.

«Основная цель нашего опроса заключалась в подсчете массы, присутствующей в звездах, найденных в огромной выборке далеких галактик, а затем использовать эту информацию для формирования нового подхода к пониманию того, как структура образовалась во Вселенной», - пояснил Кельсон.

Исследовательская группа, в состав которой входили также Луни Абрамсон, Шеннон Патель, Стивен Шектман, Алан Дрезлер, Патрик Маккарти и Джон С. Малчай с Кернеги, а также Год Уильямс, ныне из компании Uber Technologies, впервые продемонстрировала, что рост отдельных протоструктур может быть вычислен и затем усреднен по всему космосу.

Это показало, что более плотные скопления растут быстрее, а менее плотные скопления – медленнее.

Затем они смогли работать в обратном направлении и определить начальные распределения и темпы роста флуктации плотности, которые со временем станут крупномасштабными структурами, определяющие распределение галактик, которые мы видим сегодня.

По сути, их работа дала простое, но точное описание того, почему и как флуктации плотности растут так, как они делают в реальной Вселенной, также, как в вычислительной работе, что подкрепляет наше понимание зарождения Вселенной.

«И это так просто, по-настоящему элегантно», - добавил Кельсон.

Полученные результаты не были бы возможными без выделения чрезвычайного количества ночей на наблюдения в Лас-Кампанас.

«Многие учреждения не имели бы возможности самостоятельно взять на себя проект такого масштаба, - говорит директор этой обсерватории Джон Малчай. - Но благодаря нашим Магеллановым телескопам нам удалось выполнить этот опрос и создать этот новый подход к ответу на классический вопрос».

«Хотя нет сомнений, что для этого проекта нужны ресурсы такого учреждения, как Карнеги, наша работа также не могла обойтись без огромного количества дополнительных инфракрасных изображений, которые мы смогли получить в обсерваториях Китт-Пик и Серро-Тололо, которые являются частью Национальной лаборатории исследований оптически инфракрасной астрономии Национального научного фонда», - добавил Кельсон.

Оси X и Y - расстояние в мегапарсеках (1 парсек ≈ 3,26 световых лет); ось Z - возраст Вселенной в миллиардах лет.

Описание иллюстрации: Почему распределение структуры в космосе не равномерное? Первая структура Вселенной возникла тогда, когда часть материала, выброшенного наружу Большим Взрывом, преодолела свою траекторию и обвалилась в себя, образуя сгустки. Команда исследователей из Карнеги показала, что плотные сгустки вещества росли быстрее, а менее плотные сгустки - медленнее. Данные группы показали распределение плотности во Вселенной за последние 9 миллиардов лет. (На иллюстрации фиолетовый цвет представляет собой области низкой плотности, а красный - области с высокой плотностью.) Работая в обратном направлении, их выводы показывают флуктации плотности (далеко вправо, в фиолетовом и синем цветах), создавшие самую раннюю структуру Вселенной. Это согласуется с тем, что мы знаем о древней Вселенной с послесвечения Большого взрыва, которое называется Космическим микроволновым фоном (далеко вправо в желто-зеленом цвете). Исследователи достигли своих результатов, исследовав расстоянии и массы почти 100 000 галактик, вернувшись к тому времени, когда Вселенной было лишь 4,5 миллиарда лет. Около 35 000 галактик, изученных Карнеги-Спитцером- ІМАСС, проведенные в Redshift Survey, представленные здесь как небольшие сферы. Иллюстрация: Даниэль Кельсон. Данные CMB основываются на наблюдениях, полученных из Планка, научной миссии Европейского космического агентства, с помощью инструментов и взносов, непосредственно финансируемых государствами-членами ЕКА, НАСА и Канадой.

Читайте еще интересные новости космоса.