Elegant løsning afslører, hvordan universet fik sin struktur

Universet er fyldt med milliarder af galakser - men deres fordeling i rummet er langt fra ensartet. Hvorfor ser vi så meget struktur i universet i dag, og hvordan blev det hele dannet og vokset?

En 10-årig undersøgelse af titusindvis af galakser lavet ved hjælp af Magellan Baade-teleskopet ved Carnegies Las Campanas-observatorium i Chile gav en ny tilgang til at besvare dette fundamentale mysterium. Resultaterne, ledet af Carnegies Daniel Kelson, er udgivet i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

"Hvordan beskriver du det ubeskrivelige?" spørger Kelson. "Ved at tage en helt ny tilgang til problemet."

"Vores taktik giver ny - og intuitiv - indsigt i, hvordan tyngdekraften drev væksten af ​​struktur fra universets tidligste tider, " sagde medforfatter Andrew Benson. "Dette er en direkte, observationsbaseret test af en af ​​kosmologiens søjler."

Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift Survey blev designet til at studere forholdet mellem galaksevækst og det omgivende miljø over de sidste 9 milliarder år, da moderne galaksers udseende blev defineret.

De første galakser blev dannet et par hundrede millioner år efter Big Bang, som startede universet som et varmt, grumset suppe af ekstremt energiske partikler. Da dette materiale udvidede sig udad fra den første eksplosion, det kølede af, og partiklerne smeltede sammen til neutral brintgas. Nogle pletter var tættere end andre, og til sidst, deres tyngdekraft overvandt universets udadgående bane og materialet kollapsede indad, danner de første klumper af struktur i kosmos.

Densitetsforskellene, der gjorde det muligt for både store og små strukturer at dannes nogle steder og ikke andre, har været et mangeårigt emne for fascination. Men indtil nu, astronomers evner til at modellere, hvordan strukturen voksede i universet i løbet af de sidste 13 milliarder år, stod over for matematiske begrænsninger.

"De gravitationsinteraktioner, der forekommer mellem alle partiklerne i universet, er for komplekse til at forklare med simpel matematik, " sagde Benson.

Så, astronomer brugte enten matematiske tilnærmelser - hvilket kompromitterede nøjagtigheden af ​​deres modeller - eller store computersimuleringer, der numerisk modellerer alle interaktioner mellem galakser, men ikke alle de interaktioner, der forekommer mellem alle partiklerne, hvilket blev anset for at være for kompliceret.

"Et hovedmål med vores undersøgelse var at tælle massen op i stjerner fundet i et enormt udvalg af fjerne galakser og derefter bruge denne information til at formulere en ny tilgang til at forstå, hvordan strukturen blev dannet i universet, " forklarede Kelson.

Forskerholdet - som også omfattede Carnegies Louis Abramson, Shannon Patel, Stephen Shektman, Alan Dressler, Patrick McCarthy, og John S. Mulchaey, samt Rik Williams, nu af Uber Technologies – demonstrerede for første gang, at væksten af ​​individuelle proto-strukturer kan beregnes og derefter gennemsnittet over hele rummet.

Ved at gøre dette afslørede det, at tættere klumper voksede hurtigere, og mindre tætte klumper voksede langsommere.

De var derefter i stand til at arbejde baglæns og bestemme de oprindelige fordelinger og vækstrater for fluktuationerne i tæthed, som i sidste ende ville blive de store strukturer, der bestemte udbredelsen af ​​galakser, vi ser i dag.

I det væsentlige, deres arbejde gav en enkel, dog præcis, beskrivelse af hvorfor og hvordan tæthedssvingninger vokser, som de gør i det virkelige univers, såvel som i det beregningsbaserede arbejde, der understøtter vores forståelse af universets spæde start.

"Og det er bare så enkelt, med en ægte elegance, " tilføjede Kelson.

Resultaterne ville ikke have været mulige uden tildelingen af ​​et ekstraordinært antal observationsnætter på Las Campanas.

"Mange institutioner ville ikke have haft kapacitet til at påtage sig et projekt af dette omfang alene, " sagde observatoriedirektør John Mulchaey. "Men takket være vores Magellan-teleskoper, vi var i stand til at udføre denne undersøgelse og skabe denne nye tilgang til at besvare et klassisk spørgsmål."

"Selvom der ikke er nogen tvivl om, at dette projekt krævede ressourcerne fra en institution som Carnegie, vores arbejde kunne heller ikke være sket uden det enorme antal yderligere infrarøde billeder, som vi var i stand til at opnå hos Kit Peak og Cerro Tololo, som begge er en del af NSF's National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, " tilføjede Kelson.