"Елегантне" рішення показує, як Всесвіт отримав свою будову

Всесвіт наповнений мільярдами галактик, але їх розподіл по космосу далеко не рівномірний. Чому ми сьогодні бачимо таку структуру Всесвіту та як це все формувалося та зростало?

Про це розповідається в прес-релізі Інституту наук Карнегі, США.

10-річне опитування десятків тисяч галактик, проведене за допомогою телескопа Магеллана Бааде в обсерваторії Карнегі в Лас-Кампанас в Чилі, запропонувало новий підхід до відповіді на цю фундаментальну таємницю. Результати під керівництвом Деніела Кельсона від Карнегі були опубліковані в Щомісячних повідомленнях Королівського астрономічного товариства (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society).

«Як ви описуєте те, що не можна описати?, - питає Кельсон. - За допомогою абсолютно нового підходу до проблеми».

«Наша тактика надає нові – та інтуїтивно зрозумілі – уявлення про те, як гравітація призвела до зростання структури Всесвіту з його найранніших часів, - каже співавтор Ендрю Бенсон. - Це пряме, засноване на спостереженнях випробування однієї з основ космології».

Дослідження Кернегі-Спітцера-IMACS було розроблено для вивчення взаємозв'язку між зростанням галактик і навколишнім середовищем протягом останніх 9 мільярдів років, звідтоді, коли були визначені прояви сучасних галактик.

Перші галактики утворилися через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху, який поклав початок Всесвіту у вигляді гарячого каламутного супу з надзвичайно енергійних частинок. У міру того, як цей матеріал розширювався назовні від початкового вибуху, він охолоджувався, і частинки з’єднувалися в нейтральний газ водень. Деякі частки були щільнішими за інші, і, зрештою, їх сила тяжіння подолала зовнішню траєкторію Всесвіту, і матеріал зруйнувався всередину, утворивши перші згустки структури в космосі.

Перепади щільності, які дозволили в одних місцях утворювати структури як великі, так і маленькі, а в інших місцях – ні, були давньою темою для захоплення. Але дотепер можливості астрономів моделювати, як зростали структури у Всесвіті протягом останніх 13 мільярдів років стикалися з математичними обмеженнями.

«Гравітаційні взаємодії, що виникають між усіма частинками Всесвіту, занадто складні, щоб пояснити їх простою математикою», - зазначив Бенсон.

Так, астрономи використовували або математичні наближення - які посягали на точність їх моделей - або великі комп’ютерні симуляції, які чисельно моделюють всі взаємодії між галактиками, але не всі взаємодії між усіма частинками, що вважалося занадто складним.

«Основна мета нашого опитування полягала в підрахунку маси, присутньої в зірках, знайдених у величезній вибірці далеких галактик, а потім використання цієї інформації для формування нового підходу до розуміння того, як структура утворилася у Всесвіті», - пояснив Кельсон.

Дослідницька група, до складу якої входили також Луні Абрамсон, Шеннон Патель, Стівен Шектман, Алан Дрезлер, Патрік Маккарті та Джон С. Малчай з Кернегі, а також Рік Вільямс, нині з компанії Uber Technologies, вперше продемонструвала, що зростання окремих протоструктур може бути обчислений і потім усереднений по всьому космосі.

Це показало, що більш щільні скупчення зростають швидше, а менш щільні скупчення – повільніше.

Потім вони змогли працювати в зворотному напрямку і визначити початкові розподіли та темпи зростання флуктації щільності, які з часом стануть великомасштабними структурами, що визначають розподіли галактик, які ми бачимо сьогодні.

По суті, їх робота дала простий, але точний опис того, чому і як флуктації щільності зростають так, як вони роблять в реальному Всесвіті, так само, як і в обчислювальній роботі, що підкріпляє наше розуміння зародження Всесвіту.

«І це так просто, по-справжньому елегантно», - додав Кельсон.

Отримані результати не були б можливими без виділення надзвичайної кількості ночей на спостереження у Лас-Кампанасі.

«Багато установ не мали б можливості самостійно взяти на себе проект такого масштабу, - каже директор цієї обсерваторії Джон Малчай. - Але завдяки нашим Магеллановим телескопам нам вдалося виконати це опитування та створити цей новий підхід до відповіді на класичне запитання».

«Хоча немає сумнівів, що для цього проекту потрібні ресурси такої установи, як Карнегі, наша робота також не могла відбутися без величезної кількості додаткових інфрачервоних зображень, які ми змогли отримати в обсерваторіях Кітт-Пік та Серро-Тололо, які є частиною Національної лабораторії досліджень оптично-інфрачервоної астрономії Національного наукового фонду», - додав Кельсон.

Осі X та Y – відстань в мегапарсеках (1 парсек ≈ 3,26 світлових років); вісь Z – вік Всесвіту у мільярдах років.

Опис ілюстрації: Чому розподіл структури в космосі не рівномірний? Перша структура Всесвіту виникла тоді, коли частина матеріалу, викинутого назовні Великим Вибухом, подолала свою траєкторію і обвалилася в себе, утворюючи згустки. Команда дослідників з Карнегі показала, що щільніші згустки речовини зростали швидше, а менш щільні згустки - повільніше. Дані групи показали розподіл щільності у Всесвіті за останні 9 мільярдів років. (На ілюстрації фіолетовий колір являє собою області низької щільності, а червоний - області з високою щільністю.) Працюючи у зворотному напрямку, їх висновки показують флуктації щільності (далеко вправо, у фіолетовому та синьому кольорах), що створили саму ранню структуру Всесвіту. Це узгоджується з тим, що ми знаємо про стародавній Всесвіт із післясвітіння Великого вибуху, що називається Космічним мікрохвильовим фоном (далеко вправо в жовто-зеленому кольорі) Дослідники досягли своїх результатів, дослідивши відстані та маси майже 100 000 галактик, повернувшись до того часу, коли Всесвіту було лише 4,5 мільярда років. Близько 35 000 галактик, вивчених Карнегі-Спітцером-ІМАСС, проведені в Redshift Survey, представлені тут як невеликі сфери. Ілюстрація: Даніель Кельсон. Дані CMB ґрунтуються на спостереженнях, отриманих з Планка, наукової місії Європейського космічного агентства, за допомогою інструментів та внесків, безпосередньо фінансуваних державами-членами ЄКА, НАСА та Канадою.

Читайте ще цікаві новини космосу.