«Элегантное» решение показывает, как вселенная получила свою структуру

Вселенная полна миллиардов галактик, но их распределение по космосу далеко от однородного. Почему мы видим так много структуры сегодня во вселенной и как все это формировалось и росло?

10-летний обзор десятков тысяч галактик, выполненных с помощью телескопа Магеллана Бааде в обсерватории Лас-Кампанас в Чили, дал новый подход к раскрытию этой фундаментальной тайны. Результаты, представленные Карнеги Дэниелом Келсоном, публикуются в ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества .

«Как вы описываете неописуемое?» спрашивает Келсон. «Совершенно новый подход к проблеме».

«Наша тактика дает новое — и интуитивное — понимание того, как гравитация стимулировала рост структуры с самых ранних времен вселенной», — сказал соавтор Эндрю Бенсон. «Это прямой, основанный на наблюдениях тест одного из столпов космологии».

Исследование Redshift Carnegie-Spitzer-IMACS было разработано для изучения взаимосвязи между ростом галактики и окружающей средой за последние 9 миллиардов лет, когда были определены появления современных галактик.

Первые галактики были сформированы через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, который начал Вселенную как горячий мутный суп из чрезвычайно энергичных частиц. Когда этот материал расширился от первоначального взрыва, он остыл, и частицы объединились в нейтральный газообразный водород. Некоторые участки были более плотными, чем другие, и, в конце концов, их гравитация преодолела внешнюю траекторию Вселенной, и материал разрушился внутрь, образуя первые скопления структуры в космосе.

Различия в плотности, которые позволяли формировать большие и маленькие структуры в одних местах, а не в других, были давней темой обаяния. Но до сих пор способности астрономов моделировать рост структуры во Вселенной за последние 13 миллиардов лет сталкивались с математическими ограничениями.

«Гравитационные взаимодействия, происходящие между всеми частицами во вселенной, слишком сложны, чтобы объяснить их простой математикой», — сказал Бенсон.

Таким образом, астрономы либо использовали математические приближения, которые ставили под угрозу точность их моделей, либо большие компьютерные симуляции, которые численно моделировали все взаимодействия между галактиками, но не все взаимодействия, происходящие между всеми частицами, что считалось слишком сложным.

«Основная цель нашего исследования состояла в том, чтобы подсчитать массу, присутствующую в звездах, обнаруженных в огромной выборке далеких галактик, и затем использовать эту информацию, чтобы сформулировать новый подход к пониманию того, как структура сформировалась во вселенной», объяснил Келсон.

Исследовательская группа, в которую также вошли Луи Абрамсон из Карнеги, Шеннон Патель, Стивен Шектман, Алан Дресслер, Патрик МакКарти и Джон С. Мулчи, а также Рик Уильямс, ныне из Uber Technologies, впервые продемонстрировали, что рост отдельных протоструктур можно рассчитать и затем усреднить по всему пространству.

Это выявило, что более плотные сгустки росли быстрее, а менее плотные сгустки росли медленнее.

Затем они смогли работать в обратном направлении и определить первоначальные распределения и скорости роста флуктуаций плотности, которые в конечном итоге стали крупномасштабными структурами, которые определили распределения галактик, которые мы видим сегодня.

По сути, их работа дала простое, но точное описание того, почему и как возрастают флуктуации плотности, как в реальной вселенной, а также в вычислительной работе, которая лежит в основе нашего понимания младенчества вселенной.

«И это так просто, с настоящей элегантностью», — добавил Келсон.

Выводы были бы невозможны без выделения необычного количества ночей наблюдения в Лас Кампанас.

«Многие учреждения не смогли бы самостоятельно реализовать проект такого масштаба», — сказал директор обсерваторий Джон Мулчей. «Но благодаря нашим телескопам Magellan мы смогли провести этот опрос и создать новый подход к ответу на классический вопрос».

«Хотя нет никаких сомнений в том, что для реализации этого проекта потребовались ресурсы такого учреждения, как Карнеги, наша работа также не могла бы состояться без огромного количества дополнительных инфракрасных изображений, которые мы смогли получить на Китт-Пик и Серро-Тололо, которые являются частью Национальная научно-исследовательская лаборатория астрономической оптики NSF «, добавил Келсон.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Институтом науки Карнеги . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Связанные мультимедиа :

• Иллюстрация распределения плотности во Вселенной за последние 9 миллиардов лет

---

Ссылка на журнал :

1. Рик Дж. Уильямс, Джон С. Малчей, Патрик Дж. Маккарти, Алан Дресслер, Стивен А Шектман, Шеннон Дж. Патель, Эндрю Дж. Бенсон, Луи Э Абрамсон, Дэниел Д. Келсон. Гравитация и нелинейный рост структуры в исследовании Redshift Carnegie-Spitzer-IMACS . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества , 2020; 494 (2): 2628 DOI: 10,1093 / mnras / staa100