Små forvrængninger i universers ældste lys afslører et klarere billede af tråde i kosmisk web

Forskere har afkodet svage forvrængninger i mønstrene i universets tidligste lys for at kortlægge enorme rørlignende strukturer, der er usynlige for vores øjne - kendt som filamenter - der fungerer som superveje til at levere stof til tætte nav, såsom galaksehobe.

Det internationale videnskabshold, som omfattede forskere fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley, analyserede data fra tidligere himmelundersøgelser ved hjælp af sofistikeret billedgenkendelsesteknologi til at tage hul på de tyngdekraftsbaserede effekter, der identificerer disse filamenters former. De brugte også modeller og teorier om filamenterne til at hjælpe med at guide og fortolke deres analyse.

Udgivet 9. april i tidsskriftet Natur Astronomi , den detaljerede udforskning af filamenter vil hjælpe forskere til bedre at forstå dannelsen og udviklingen af ​​det kosmiske væv – den store struktur af stof i universet – inklusive den mystiske, usete ting kendt som mørkt stof, der udgør omkring 85 procent af universets samlede masse.

Mørkt stof udgør filamenterne-som forskere lærte typisk at strække og bøje henover hundredvis af millioner lysår-og de såkaldte glorier, som værtsklynger af galakser bliver fodret af det universelle netværk af filamenter. Flere undersøgelser af disse filamenter kunne give ny indsigt om mørk energi, endnu et mysterium i universet, der driver dets accelererende ekspansion.

Filamentegenskaber kan også sætte tyngdekraftsteorier på prøve, inklusive Einsteins generelle relativitetsteori, og giver vigtige spor for at hjælpe med at løse et tilsyneladende misforhold i mængden af ​​synligt stof, der forudsiges at eksistere i universet - "det manglende baryonproblem."

"Normalt studerer forskere ikke disse filamenter direkte - de ser på galakser i observationer, " sagde Shirley Ho, en senior videnskabsmand ved Berkeley Lab og Cooper-Siegel lektor i fysik ved Carnegie Mellon University, der ledede undersøgelsen. "Vi brugte de samme metoder til at finde de filamenter, som Yahoo og Google bruger til billedgenkendelse, som at genkende navnene på gadeskilte eller finde katte på fotografier."

Undersøgelsen brugte data fra Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, eller BOSS, en jordbaseret himmelundersøgelse, der fangede lys fra omkring 1,5 millioner galakser for at studere universets udvidelse og den mønstrede fordeling af stof i universet sat i bevægelse ved udbredelsen af ​​lydbølger, eller "baryoniske akustiske svingninger, "rislende i det tidlige univers.

BOSS undersøgelsesteamet, som fremhævede Berkeley Lab -forskere i nøgleroller, produceret et katalog over sandsynlige filamentstrukturer, der forbandt klynger af stof, som forskere trak fra i den seneste undersøgelse.

Forskere stolede også på præcise, rumbaserede målinger af den kosmiske mikrobølge baggrund, eller CMB, som er det næsten ensartede restsignal fra universets første lys. Selvom denne lyssignatur er meget ens i hele universet, der er regelmæssige udsving, som er kortlagt i tidligere undersøgelser.

I den seneste undersøgelse, forskere fokuserede på mønstrede udsving i CMB. De brugte sofistikerede computeralgoritmer til at finde aftryk af filamenter fra tyngdekraftsbaserede forvrængninger i CMB, kendt som svag linseeffekt, der skyldes, at CMB -lyset passerer gennem stof.

Da galakser lever i de tætteste områder af universet, det svage linsesignal fra afbøjningen af ​​CMB-lys er stærkest fra disse dele. Mørkt stof findes i glorierne omkring disse galakser, og var også kendt for at sprede sig fra de tættere områder i filamenter.

"Vi vidste, at disse filamenter også skulle forårsage en afbøjning af CMB og også ville producere et målbart svagt gravitationslinsesignal, "sagde Siyu He, undersøgelsens hovedforfatter, der er ph.d. forsker fra Carnegie Mellon University – hun er nu på Berkeley Lab og er også tilknyttet UC Berkeley. Forskergruppen brugte statistiske teknikker til at identificere og sammenligne "kamme, " eller punkter med højere tæthed, som teorier informerede dem om, ville pege på tilstedeværelsen af ​​filamenter.

"Vi forsøgte ikke bare at 'forbinde prikkerne' - vi forsøgte at finde disse kamme i tætheden, de lokale maksimumpunkter i tæthed, " sagde hun. De tjekkede deres fund med andre filament- og galakseklyngedata, og med "hån, " eller simulerede filamenter baseret på observationer og teorier. Holdet brugte store kosmologiske simuleringer genereret ved Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), for eksempel, at kontrollere for fejl i deres målinger.

Filamenterne og deres forbindelser kan ændre form og forbindelser over tidsskalaer på hundredvis af millioner af år. De konkurrerende kræfter fra tyngdekraften og universets udvidelse kan forkorte eller forlænge filamenterne.

"Filamenter er denne integrerede del af det kosmiske web, selvom det er uklart, hvad der er forholdet mellem det underliggende mørke stof og filamenterne, "og det var en primær motivation for undersøgelsen, sagde Simone Ferraro, en af ​​undersøgelsens forfattere, der er en Miller postdoktor ved UC Berkeleys Center for Kosmologisk Fysik.

Nye data fra eksisterende eksperimenter, og næste generations himmelundersøgelser såsom det Berkeley Lab-ledede Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), der nu er under konstruktion ved Kitt Peak National Observatory i Arizona, skulle give endnu mere detaljerede data om disse filamenter, han tilføjede.

Forskere bemærkede, at dette vigtige trin i at sløve filamenternes former og placeringer også burde være nyttig til fokuserede undersøgelser, der søger at identificere, hvilke typer gasser, der bebor filamenterne, temperaturen af ​​disse gasser, og mekanismerne for, hvordan partikler kommer ind og bevæger sig rundt i filamenterne. Undersøgelsen gav dem også mulighed for at bestemme længden af ​​filamenter.

Siyu He sagde, at opløsning af filamentstrukturen også kan give fingerpeg om egenskaberne og indholdet af hulrummene i rummet omkring filamenterne, og "hjælp med andre teorier, der er modifikationer af generel relativitetsteori, " hun sagde.

Ho tilføjede, "Vi kan måske også bruge disse filamenter til at begrænse mørk energi - deres længde og bredde kan fortælle os noget om mørk energis parametre."