Naukowcy badają milion galaktyk, aby dowiedzieć się, jak powstał Wszechświat
Zespół naukowców przeanalizował ponad milion galaktyk, aby zbadać pochodzenie obecnych struktur kosmicznych.
Obraz uzyskany z obserwacji wielkoskalowej struktury Wszechświata. Wszystkie liczne obiekty pokazane w kolorze od żółtego do czerwonego reprezentują galaktyki oddalone od Ziemi o setki milionów lat świetlnych. Źródło: Subaru HSC
Do dzisiaj precyzyjne obserwacje i analizy mikrofalowego promieniowania tła (CMB) i wielkoskalowej struktury Wszechświata (LSS) doprowadziły do ustanowienia standardowych ram Wszechświata, tak zwanego modelu ΛCDM, w którym zimna ciemna materia (CDM) i ciemna energia (stała kosmologiczna, Λ) są istotnymi cechami.
Model ten sugeruje, że pierwotne fluktuacje zostały wygenerowane na początku Wszechświata lub we wczesnym okresie jego istnienia. Te fluktuacje działały jak wyzwalacze, prowadząc do powstania wszystkich struktur we Wszechświecie, włączając w to gwiazdy, galaktyki, gromady galaktyk i ich rozmieszczenie przestrzenne. Chociaż na początku fluktuacje te są bardzo małe, z czasem zwiększają swoją skalę pod wpływem siły przyciągania grawitacyjnego, co ostatecznie prowadzi do utworzenia gęstych obszarów ciemnej materii (halo). Następnie różne halo wielokrotnie zderzały się i łączyły ze sobą, co prowadziło do powstania obiektów niebieskich, takich jak galaktyki.
Ponieważ charakter przestrzennego rozmieszczenia galaktyk silnie zależy od natury pierwotnych fluktuacji, które stworzyły je we wczesnym Wszechświecie, prowadzono aktywnie analizy statystyczne rozmieszczeń galaktyk w celu obserwacyjnego zbadania natury tych pierwotnych fluktuacji. Dodatkowo, przestrzenny wzorzec kształtów galaktyk rozmieszczonych na dużych skalach we Wszechświecie również odzwierciedla naturę pierwotnych fluktuacji.
Konwencjonalna analiza struktury wielkoskalowej skupiała się jednak wyłącznie na przestrzennym rozkładzie galaktyk jako punktów. Niedawno naukowcy zaczęli badać kształty galaktyk, ponieważ nie tylko dostarczają one dodatkowych informacji, ale także zapewniają inne spojrzenie na naturę pierwotnych fluktuacji.
Zespół naukowców pod kierownictwem Toshiki Kurity z MPIA oraz profesora Kalvi IPMU Masahiro Takady opracował metodę pomiaru widma mocy kształtów galaktyk, łącząc dane spektroskopowe dotyczące przestrzennego rozmieszczenia galaktyk z danymi obrazowymi poszczególnych kształtów galaktyk.
Naukowcy jednocześnie przeanalizowali rozkład przestrzenny i wzór kształtu około miliona galaktyk ze Sloan Digital Sky Survey (SDSS), największego obecnie na świecie przeglądu galaktyk.
W rezultacie z powodzeniem ograniczyli statystyczne właściwości pierwotnych fluktuacji, które zapoczątkowały formowanie się struktury całego Wszechświata.
Odkryli oni statystycznie istotne dopasowanie orientacji kształtów dwóch galaktyk oddalonych od siebie o ponad 100 milionów lat świetlnych. Ich wynik pokazał, że istnieją korelacje między odległymi galaktykami, których procesy formowania są pozornie niezależne i przyczynowo niepowiązane.
W trakcie tych badań byliśmy w stanie nałożyć ograniczenia na właściwości pierwotnych fluktuacji poprzez analizę statystyczną „kształtów” wielu galaktyk uzyskanych z danych dotyczących struktury wielkoskalowej. Istnieje niewiele precedensów dla badań wykorzystujących kształt galaktyk do badania fizyki wczesnego Wszechświata, a proces badawczy, od stworzenia pomysłu i opracowania metod analizy do faktycznej analizy danych, był serią prób i błędów. Z tego powodu stanąłem przed wieloma wyzwaniami. Cieszę się jednak, że udało mi się je zrealizować podczas studiów doktoranckich. Wierzę, że to osiągnięcie będzie pierwszym krokiem do otwarcia nowego pola badawczego w kosmologii wykorzystującej kształty galaktyk – powiedział Kurita.
Co więcej, szczegółowe badanie tych korelacji potwierdziło, że są one zgodne z korelacjami przewidywanymi przez inflację i nie wykazują niegaussowskiej cechy pierwotnej fluktuacji.
Badania te są wynikiem pracy doktorskiej Toshiki. To wspaniałe osiągnięcie badawcze, w którym opracowaliśmy metodę walidacji modelu kosmologicznego przy użyciu kształtów galaktyk i ich rozkładów, zastosowaliśmy ją do danych, a następnie przetestowaliśmy fizykę inflacji. Był to temat badawczy, którym nikt wcześniej się nie zajmował, ale on wykonał wszystkie trzy kroki: teorię, pomiary i zastosowanie. Gratulacje! Jestem bardzo dumny z faktu, że udało nam się wykonać wszystkie trzy kroki. Niestety, nie dokonałem wielkiego odkrycia, jakim było wykrycie nowej fizyki inflacji, ale wyznaczyliśmy ścieżkę dla przyszłych badań. Możemy spodziewać się otwarcia kolejnych obszarów badań przy użyciu Subaru Prime Focus Spectrograph – powiedział Takada.
Metody i wyniki tego badania pozwolą naukowcom w przyszłości na dalsze testowanie teorii inflacji.
Szczegóły tego badania zostały opublikowane 31 października w Physical Review D jako sugestia redakcji.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
