Astronomer foretog første målinger af små bølger i ur brintgas ved hjælp af sjældne dobbelte kvasarer

De mest ufrugtbare regioner, der kendes, er de fjerntliggende hjørner af intergalaktisk rum. I disse store vidder mellem galakserne er der kun et enkelt atom pr. Kubikmeter - en diffus dis af hydrogengas, der er tilovers fra Big Bang. På den største vægt, dette materiale er arrangeret i et stort netværk af filamentære strukturer kendt som det "kosmiske net, "dets sammenfiltrede tråde spænder over milliarder af lysår og tegner sig for størstedelen af ​​atomerne i universet.

Nu, et hold af astronomer, inklusive UC Santa Barbara fysiker Joseph Hennawi, har foretaget de første målinger af små bølger i denne oprindelige brintgas ved hjælp af sjældne dobbelte kvasarer. Selvom de områder af det kosmiske net, de studerede, ligger næsten 11 milliarder lysår væk, de var i stand til at måle variationer i dets struktur på skala 100, 000 gange mindre, sammenlignelig med størrelsen af ​​en enkelt galakse. Resultaterne fremgår af journalen Videnskab .

Intergalaktisk gas er så spinkel, at den ikke udsender noget lys i sig selv. I stedet studerer astronomer det indirekte ved at observere, hvordan det selektivt absorberer lyset, der kommer fra fjerne kilder, kendt som kvasarer. Kvasarer udgør en kort hyperluminøs fase af den galaktiske livscyklus drevet af stof, der falder ned i en galakses centrale supermassive sorte hul. Opfører sig som kosmiske fyrtårne, de er lyse, fjerne fyrtårne, der tillader astronomer at studere intergalaktiske atomer, der befinder sig mellem kvasarens placering og Jorden. Men fordi disse hyperlysende episoder kun varer en lille brøkdel af en galakses levetid, kvasarer er tilsvarende sjældne og er typisk adskilt fra hinanden med hundreder af millioner lysår.

For at sondere det kosmiske web på meget mindre længdeskalaer, astronomerne udnyttede et tilfældigt kosmisk sammenfald:De identificerede overordentlig sjældne par kvasarer og målte subtile forskelle i absorptionen af ​​intergalaktiske atomer langs de to sigtelinjer.

"Par kvasarer er som nåle i en høstak, " forklarede Hennawi, lektor i UCSB's Institut for Fysik. Hennawi var banebrydende for anvendelsen af ​​algoritmer fra "machine learning" - et mærke af kunstig intelligens - for effektivt at lokalisere kvasarpar i de enorme mængder data produceret af digitale billedundersøgelser af nattehimlen. "For at finde dem, vi gennemkæmpede billeder af milliarder af himmellegemer millioner af gange svagere end hvad det blotte øje kan se. "

Når først identificeret, kvasarparene blev observeret med de største teleskoper i verden, herunder 10 meter Keck-teleskoperne ved W.M. Keck -observatoriet på Mauna Kea, Hawaii, hvoraf University of California er stiftende partner.

"En af de største udfordringer var at udvikle de matematiske og statistiske værktøjer til at kvantificere de små forskelle, vi målte i denne nye type data, "sagde hovedforfatter Alberto Rorai, Hennawis tidligere ph.d. studerende, der nu er postdoc-forsker ved Cambridge University. Rorai udviklede disse værktøjer som en del af forskningen til sin doktorgrad og anvendte dem på spektre af kvasarer med Hennawi og andre kolleger.

Astronomerne sammenlignede deres målinger med supercomputermodeller, der simulerer dannelsen af ​​kosmiske strukturer fra Big Bang til i dag. På en enkelt bærbar, disse komplekse beregninger ville kræve næsten 1, 000 år at fuldføre, men moderne supercomputere gjorde det muligt for forskerne at udføre dem på få uger.

"Input til vores simuleringer er fysikkens love, og outputtet er et kunstigt univers, som direkte kan sammenlignes med astronomiske data, "sagde medforfatter Jose Oñorbe, en postdoc forsker ved Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland, der ledede supercomputersimuleringsindsatsen. "Jeg var glad for at se, at disse nye målinger stemmer overens med det veletablerede paradigme for, hvordan kosmiske strukturer dannes."

"En af grundene til, at disse små udsving er så interessante, er, at de koder for oplysninger om temperaturen på gas i det kosmiske væv bare få milliarder år efter Big Bang, " forklarede Hennawi.

Astronomer mener, at stoffet i universet gennemgik faseovergange for milliarder af år siden, hvilket ændrede dens temperatur dramatisk. Kendt som kosmisk re-ionisering, disse overgange fandt sted, da den kollektive ultraviolette glød af alle stjerner og kvasarer i universet blev intens nok til at fjerne elektroner fra atomer i intergalaktisk rum. Hvordan og hvornår re-ionisering fandt sted er et af de største åbne spørgsmål inden for kosmologi, og disse nye målinger giver vigtige spor, som vil hjælpe med at fortælle dette kapitel af kosmisk historie.