Jak powstał Wszechświat?
Astronomowie przeanalizowali ponad milion galaktyk, aby zbadać pochodzenie obecnych struktur kosmicznych. Badacze próbują odpowiedzieć na pytanie – jak powstał Wszechświat?
Precyzyjne obserwacje i analizy mikrofalowego tła kosmicznego (CMB) i struktury wielkoskalowej (LSS) doprowadziły do ustanowienia standardowych ram jakie ma Wszechświat, tak zwanego modelu ΛCDM, w którym zimna ciemna materia (CDM) i ciemna energia (stała kosmologiczna, Λ) są jego podstawą.
Model ten sugeruje, że pierwotne fluktuacje materii zostały wygenerowane na początku Wszechświata lub we wczesnym okresie jego trwania, działały one jak wyzwalacze, prowadząc do powstania wszelkiej materii, w tym gwiazd, galaktyk, gromad galaktyk oraz wpływały na ich przestrzenne rozmieszczenie. Chociaż w momencie powstawania fluktuacje są bardzo małe, z czasem rosną z powodu siły przyciągania grawitacyjnego, ostatecznie tworząc gęsty obszar ciemnej materii lub jej halo. Następnie te kosmiczne struktury wielokrotnie zderzały się i łączyły ze sobą, prowadząc do powstania obiektów niebieskich, takich jak galaktyki.
Ponieważ natura przestrzennego rozkładu galaktyk jest silnie uzależniona od natury pierwotnych fluktuacji, które stworzyły je na początku, analizy statystyczne rozkładów galaktyk były aktywnie prowadzone w celu obserwacyjnego zbadania natury pierwotnych fluktuacji. Oprócz tego, przestrzenny wzór kształtów galaktyk rozmieszczonych na dużym obszarze Wszechświata również odzwierciedla naturę pierwotnych fluktuacji.
Konwencjonalna analiza struktury wielkoskalowej skupiała się jednak wyłącznie na przestrzennym rozkładzie galaktyk jako punktów. Naukowcy przeanalizowali kształty galaktyk, ponieważ nie tylko dostarczają one dodatkowych informacji, ale także zapewniają inną perspektywę na naturę pierwotnych fluktuacji.
Zespół naukowców, kierowany przez Toshiki Kurita, doktoranta w Max Planck Institute for Astrophysics oraz profesora Kavli IPMU Masahiro Takada, opracował metodę pomiaru widma mocy kształtów galaktyk, która wyodrębnia kluczowe informacje statystyczne z wzorców kształtów galaktyk poprzez połączenie danych spektroskopowych ich przestrzennego rozkładu i danych obrazowych poszczególnych struktur. Badanie zostało opublikowane w Physical Review D.
Naukowcy jednocześnie przeanalizowali rozkład przestrzenny i wzór kształtu około 1 miliona galaktyk z Sloan Digital Sky Survey (SDSS), największego obecnie na świecie przeglądu tych zbiorowisk gwiazd. W rezultacie z powodzeniem ograniczyli statystyczne właściwości pierwotnych fluktuacji, które zapoczątkowały formowanie się struktury jaką ma Wszechświat.
Odkryli oni statystycznie istotne dopasowanie orientacji kształtów dwóch galaktyk oddalonych od siebie o ponad 100 milionów lat świetlnych. Astronomowie stwierdzili, że istnieją korelacje między odległymi od siebie galaktykami, których procesy formowania są pozornie niezależne i przyczynowo niepowiązane.
„W czasie badania byliśmy w stanie nałożyć ograniczenia na właściwości pierwotnych fluktuacji poprzez analizę statystyczną kształtów wielu galaktyk uzyskanych z danych dotyczących struktury wielkoskalowej. Niewiele jest precedensów dla badań wykorzystujących kształty 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” – mówi Toshiki Kurita.
Szczegółowe badanie tych korelacji potwierdziło, że są one zgodne z korelacjami przewidywanymi przez inflację i nie wykazują niegaussowskiej cechy pierwotnej fluktuacji. Metody i wyniki tego badania pozwolą naukowcom w przyszłości na dalsze testowanie teorii inflacji.
Emil Gołoś
