Astronomët dallojnë “kërcimin” e parë në Universin tonë

Nëse do ta shikonit Universin në shkallën më të madhe absolute të shkallës kozmike, do të zbulonit se galaktikat grumbullohen së bashku në një rrjetë të madhe strukture. Galaktikat individuale formohen përgjatë fijeve të rrjetës, me grupe të pasura dhe grupime galaktikash që formohen në lidhjet ku takohen fijet. Në mes të këtyre fijeve janë rajone gjigante të zbrazëta, me shumë më pak galaktika se mesatarja, dhe disa zbrazëtira që janë aq të thella sa duket se nuk kanë fare galaktika. Kjo rrjetë, me njohuritë tona më të mira, dominohet nga efektet gravitacionale të materies së errët, por është vetëm materia normale – e përbërë nga protone, neutrone dhe elektrone – ajo që rrjedh duke formuar yjet, gazin dhe pluhurin që “ne mund të vëzhgojmë.

Megjithatë, duhet të ketë një efekt strukturor shtesë që nuk është aq i lehtë për t’u parë: një tipar grumbullimi i njohur si lëkundjet akustike të barionit. Duke u nisur nga fazat shumë të hershme të historisë kozmike dhe e shkaktuar nga materia normale që “kërcen” larg një qendre grumbullimi, ajo lë një gjurmë që duket paksa si një flluskë kozmike: ku galaktikat kanë më shumë gjasa të gjenden në një distancë të caktuar larg. nga një tjetër dhe jo pak më afër ose më larg. Megjithëse kjo veçori është parë statistikisht më parë, asnjë “fryrje” ose “flluskë” individuale nuk është parë ndonjëherë më parë.

Në një punim krejt të ri , astronomët Brent Tully, Cullan Howlett dhe Daniel Pomarède paraqesin prova për lëkundjen e parë akustike të barionit të zbuluar ndonjëherë në të gjithë Universin. Këtu është shkenca pas saj.

Mënyra më e thjeshtë për të bërë një parashikim për atë që prisni të jeni atje në Univers është të dini njëkohësisht dy gjëra.

Së pari, duhet të dini kushtet fillestare të sistemit tuaj fizik: çfarë është në sistemin tuaj, ku është gjithçka dhe cilat janë vetitë e tij.
Dhe së dyti, ju duhet të njihni ligjet dhe rregullat që rregullojnë sistemin tuaj dhe evolucionin e tij kohor.
Ky është parimi i bërjes së parashikimeve për çdo sistem fizik që mund të merrni në konsideratë, nga diçka aq e thjeshtë sa një masë në rënie e drejtuar nga F = m a e Njutonit deri në diçka aq komplekse sa i gjithë Universi i vëzhgueshëm.

Pra, nëse duam t’i përgjigjemi pyetjes se cilat “lloje strukture që presim do të ekzistojnë në Univers”, gjithçka që duhet të bëjmë është të specifikojmë ato dy gjëra. E para është e drejtpërdrejtë: ne duhet të dimë kushtet fillestare me të cilat lindi Universi, duke përfshirë përbërësit, vetitë dhe shpërndarjen e tij. Dhe e dyta, në parim, është gjithashtu e drejtpërdrejtë: të përdorni më pas ekuacionet që përshkruajnë ligjet drejtuese të fizikës për të evoluar sistemin tuaj përpara në kohë, deri sa të arrini në ditët e sotme. Mund të tingëllojë si një detyrë e frikshme, por shkenca është përballë sfidës.

Universi, në fillimin e Big Bengut të nxehtë, lindi i mbushur me materie, antimaterie, rrezatim dhe ishte pothuajse – por jo plotësisht – në natyrë krejtësisht uniforme. Kjo pjesë e vogël e jouniformitetit, inhomogjenitetet kozmologjike, janë thjesht papërsosmëri se sa uniformisht është i dendur Universi në fillim.

Ato shfaqen në mënyrë të barabartë në të gjitha shkallët: të vogla, të mesme dhe të mëdha kozmike njësoj.
Ato ndjekin atë që ne e quajmë një shpërndarje “normale”, ku forca e jouniformitetit ndjek një kurbë Bell: gjysmë më e madhe se mesatarja dhe gjysmë më pak se mesatarja, me 68% brenda 1 devijimit standard të mesatares, 95% brenda 2 devijime standarde të mesatares, 99.7% brenda 3 devijimeve standarde të mesatares, etj.
Ata kanë një amplitudë prej rreth 1 pjesë në 30,000, që do të thotë se 32% e të gjitha rajoneve janë të paktën 1 pjesë në 30,000 larg vlerës mesatare (gjysma sipër dhe gjysma poshtë), 5% janë të paktën 2 -pjesë-në-30,000 larg mesatares, 0,3% janë të paktën 3-pjesë-në-30,000 larg mesatares, etj.
Dhe papërsosmëritë që ekzistojnë në të gjitha këto shkallë të ndryshme mbivendosen njëra mbi tjetrën, me papërsosmëritë e shkallës mesatare mbi papërsosmëritë në shkallë të gjerë dhe me papërsosmëritë në shkallë më të vogël mbi të gjitha.
Fizikisht, ne e karakterizojmë këtë si një spektër pothuajse krejtësisht të pandryshueshëm në shkallë, dhe na tregon se si ishte dendësia në Univers pikërisht në fillimin e Big Bengut të nxehtë.

Por më pas Universi evoluon: zgjerohet, ftohet dhe gravitohet. Grimcat e paqëndrueshme zbërthehen në grimca më të lehta dhe më të qëndrueshme. Materia dhe antimateria asgjësohen, duke lënë vetëm një pjesë të vogël të lëndës së tepërt në mes të një deti rrezatimi: fotone, neutrinot dhe antineutrinot. Lënda e errët është gjithashtu e pranishme, me pesë herë më shumë se sa materia normale. Pas disa minutash, protonet dhe neutronet fillojnë të shkrihen së bashku, duke krijuar bërthamat e lehta atomike: të formuara përpara se çdo yll të mundej. Por do të duhen mesatarisht 380,000 vjet para se Universi të ftohet aq sa të lejojë formimin e atomeve neutrale.

Kjo është koha kyçe gjatë së cilës ne duhet të kuptojmë se si evoluojnë farat e strukturës kozmike. Nëse keni një pamje shumë të gjerë të gjërave, do të thoni: “Ai thjesht graviton, dhe megjithëse rrezatimi shtyn kundër strukturave që përpiqen të shemben në mënyrë gravitacionale, ato struktura do të vazhdojnë të rriten ngadalë dhe gradualisht, edhe pse rrezatimi rrjedh prej tyre. .” Kjo është e vërtetë dhe njihet si efekti Mészáros : mënyra me të cilën farat e hershme të strukturës rriten gravitacionalisht në Universin e hershëm pas Big Bengut.

Por historia ka më shumë, dhe do ta shohim nëse e shikojmë Universin me pak më shumë detaje.

Në vend që të themi se ka “materie dhe rrezatim në Univers”, le të shkojmë tani një hap më tej dhe të themi se ka “materie normale, e përbërë nga elektrone dhe bërthama, plus materie të errët, plus rrezatim”. Me fjalë të tjera, ne tani kemi tre komponentë në Universin tonë: materien normale, materien e errët dhe rrezatimi, në vend që thjesht të grumbullojmë lëndën normale dhe të errët së bashku në kategorinë e “materies”. Tani, ndodh diçka pak më ndryshe.

Kur keni një rajon të mbingarkuar, e gjithë materia dhe energjia tërhiqen në mënyrë gravitacionale drejt saj dhe ajo fillon të rritet në mënyrë gravitacionale. Kur kjo ndodh, rrezatimi fillon të rrjedhë nga ky rajon i mbingarkuar, duke e shtypur pak rritjen e tij. Ndërsa rrezatimi rrjedh nga jashtë, megjithatë, ai vepron ndryshe në lëndën normale sesa në lëndën e errët.

Për shkak se rrezatimi përplaset dhe shpërndan grimcat e ngarkuara, ai mund ta shtyjë lëndën normale jashtë; materia normale u përpoq të shembet gravitacionale, por rrezatimi i rrjedhës së jashtme më pas e shtyn këtë lëndë normale jashtë, duke bërë që ajo të “kërcej” ose “luhatet” në vend që thjesht të shembet.
Meqenëse rrezatimi nuk përplaset ose shpërndahet nga lënda e errët, megjithatë, ai nuk merr të njëjtën shtytje nga jashtë. Rrezatimi ende mund të rrjedhë nga jashtë, por përveç gravitacionit, nuk ka asnjë efekt në materien e errët.

Mendoni se çfarë do të thotë kjo. Nëse materia e Universit do të përbëhej 100% nga materia normale dhe 0% nga materia e errët, ne do të shihnim këto efekte të mëdha kërcyese, oshiluese. Ky në fakt do të ishte një nga efektet dominuese për mënyrën se si materia gravitohej, grumbullohej dhe grumbullohej: nxitur nga ky fenomen i njohur si lëkundjet akustike të barionit . Nëse materia e Universit do të përbëhej 0% nga materia normale dhe 100% nga materia e errët, këto efekte kërcyese, oshiluese nuk do të ishin fare të pranishme; gjërat do të rriteshin në mënyrë gravitacionale pa ndonjë lidhje midis rrezatimit dhe lëndës normale.

Një nga testet më të forta për “sa lëndë normale kundrejt sa lëndë e errët” është e pranishme në Univers është, pra, të shikojmë rrezatimin nga saktësisht 380,000 vjet pas Big Bengut: në banjën e mbetur të rrezatimit të njohur si Sfondi kozmik i mikrovalës.

Në shkallë shumë të vogla kozmike, materia normale do të jetë luhatur shumë herë, dhe këto luhatje të densitetit do të zhduken. Në shkallë më të mëdha, ka më pak lëkundje dhe do të shihni “maja” dhe “lugina” ku keni respektivisht ndërhyrje konstruktive dhe shkatërruese. Dhe në një shkallë kozmike shumë specifike – të quajtur “shkalla akustike” nga astrofizikanët – po e shihni materien normale aty ku arrin kulmin: ku graviton dhe bie, por aty ku atomet neutrale u formuan pikërisht në momentin që rrezatimi do të ishte ndryshe. filloi ta shtyjë atë nga jashtë.

Ky model, i “majave dhe luginave” në shkëlqimin e mbetur nga Big Bengu, na mëson një sasi të madhe informacioni rreth Universit që ne banojmë. Na mëson se si materia normale ashtu edhe materia e errët duhet të jenë të pranishme dhe duhet të jenë të pranishme në një raport përkatësisht 1:5. Ai gjithashtu na lejon të lexojmë, duke matur shkallën në të cilën ndodh “kulmi” maksimal i luhatjeve, ku duhet të ndodhë “kërcimi” me magnitudë më të madhe: në shkallët këndore që zënë rreth një shkallë në qiell. Ose, të paktën, kjo zë rreth “një shkallë” në qiell, për çfarëdo shkalle gjatësie që korrespondon me atë kur Universi ishte vetëm 380,000 vjet i vjetër.

Kjo shkallë – shkalla akustike – ngrihet më pas në kujtesën e Universit sapo të formohen atomet neutrale, sepse nuk ka ndërveprim të mëtejshëm midis rrezatimit të mbetur nga Big Bengu dhe materies normale. (Materia normale është transparente ndaj këtij rrezatimi tani me gjatësi vale të gjatë, infra të kuqe në kohën kur Universi është 380,000 vjet i vjetër.)

Megjithatë, këto gjurmë të mbidendura dhe të nëndendura do të vazhdojnë të evoluojnë. Ato zgjerohen, në shkallë dhe madhësi, ndërsa Universi zgjerohet. Ndërsa rajonet e mbidendura do të vazhdojnë të rriten në mënyrë gravitacionale dhe përfundimisht të formojnë yje, galaktika dhe struktura edhe më madhështore, rajonet e nëndendura do të heqin dorë nga lënda e tyre në mjedisin e tyre më të dendur, duke çuar në krijimin e zbrazëtirave kozmike.

Me fjalë të tjera, ky sinjal i lëkundjeve akustike të barionit nuk duhet të jetë i ngulitur vetëm në sfondin kozmik të mikrovalës (që është), por edhe në strukturën në shkallë të gjerë të Universit. Këto lëkundje ekzistojnë në të gjitha shkallët, por luhatja më e madhe dhe më e fortë duhet të jetë në një shkallë që sot, 13.8 miliardë vjet pas Big Bengut, është rritur përafërsisht 500 milionë vite dritë.

Një nga vendet që do të shfaqet, në studimet e strukturës në shkallë të gjerë të Universit, është në diçka që astrofizikanët e quajnë “funksioni i korrelacionit me dy pika “. Përpara se të ngrini duart dhe të thoni: “Si do ta kuptoj ndonjëherë diçka kaq të komplikuar?” më lejoni ta zbërthej në terma të thjeshtë për ju.

Imagjinoni që keni një galaktikë vendndodhjen e së cilës e keni matur në hapësirë. Funksioni i korrelacionit me dy pika thjesht pyet: “Sa gjasa kam që të gjej një galaktikë tjetër në një distancë të caktuar larg nga kjo galaktikë e veçantë?” (Të paktën, krahasuar me rastësinë e plotë.) Nëse nuk do të kishte fare lëkundje akustike të barionit, përgjigja do të dukej si një funksion i qetë: do të kishte një gjasë që do të zvogëlohej ngadalë, por në mënyrë të qëndrueshme për të gjetur një galaktikë tjetër në atë distancë të saktë sa më larg. largohesh ti. Por nëse këto lëkundje akustike të barionit janë të pranishme, kjo do të thotë se ekziston një shkallë e veçantë e distancës – versioni modern i “shkallës akustike” të lashtë të ngulitur në sfondin kozmik të mikrovalës – që papritmas do të keni më shumë gjasa të gjeni një galaktikë tjetër.

Statistikisht, kjo është vërtetuar shumë fuqishëm në të dhëna. Ne madje kemi qenë në gjendje të përdorim studime të strukturës në shkallë të gjerë që dalin në Universin e largët për të matur se si shkalla akustike ka ndryshuar me kalimin e kohës; Përmirësimi i kësaj matjeje është një nga qëllimet kryesore të shkencës që secili prej Observatorëve të Euklidit, Romak dhe Rubin ka për vete. Shkalla akustike vepron si një tip shumë i veçantë sundimtari kozmik, duke na mundësuar se si kjo shkallë akustike është zgjeruar gjatë kohës kozmike.

Udhëtoni në Univers me astrofizikantin Ethan Siegel. Abonentët do të marrin buletinin çdo të shtunë. Të gjithë në bord!
Fushat e shënuara me * janë të nevojshme
Email
Por në këtë punim të ri “tour-de-force” , Tully dhe bashkëpunëtorët e tij gjejnë prova për një lëkundje akustike individuale të barionit për herë të parë: e vendosur rreth 820 milionë vite dritë larg dhe që përfshin, ashtu siç mund ta prisni, 500 milionë vite dritë. në madhësi. Sigurisht, nëse ulni gishtin në ndonjë galaktikë dhe pyesni, “sa ka gjasa që, krahasuar me një shans të rastësishëm, të gjej një galaktikë tjetër në një distancë të caktuar larg nga kjo”, do të zbuloni se ka një kulm të qartë akustik. në të dhënat për këtë vëllim të vogël hapësire: ku ka më shumë gjasa të gjesh një galaktikë 500 milionë vite dritë larg sesa 400 ose 600 milionë vite dritë larg nga një tjetër. Të dhënat janë aq të forta sa që tashmë janë tejkaluar atë që konsiderohet “standardi i artë” i rëndësisë statistikore 5-sigma vetëm në këtë analizë të parë.

Lëkundjet akustike individuale përmbajnë grupe dhe zbrazëtira brenda tij, por është me të vërtetë struktura dhe vetitë e përgjithshme që kanë rëndësi, jo nënstruktura brenda saj. Autorët i dhanë kësaj lëkundjeje emrin “Ho’oleilana”, i cili është një emër që shfaqet në këngën e krijimit Havai: Kumulipo , duke rrëfyer origjinën e strukturës në Univers. Shumë struktura të njohura si për astronomët profesionistë ashtu edhe për entuziastët e astronomisë janë të pranishme brenda tij, duke përfshirë:

boshllëku i Boötes,
Muri i Madh i Komas,
skaji i grupit komë të galaktikave,
dhe Muri i Madh i galaktikave Sloan.
Megjithëse fenomeni i lëkundjeve akustike të barionit ka qenë i njohur dhe madje i matur mirë për disa dekada tani, ishte shumë e papritur që teknologjia aktuale e sondazhit do të ishte në gjendje të zbulonte një lëkundje akustike të vetme, individuale të barionit. Është edhe më befasuese për shumë njerëz që veçoria akustike në vetvete dallohet edhe nga një inspektim i thjeshtë vizual; praktikisht mund ta shihni vetë në të dhënat e papërpunuara! Ndërsa kjo do të duhet të shqyrtohet më tej për të siguruar që ne nuk po mashtrojmë veten me këtë objekt, kjo është një fitore e jashtëzakonshme për modelin konsensus të kozmologjisë. Pa materien e errët, materien normale dhe një Univers në zgjerim që i përmban të gjitha, këto veçori thjesht nuk mund të ishin të pranishme. Kur bëhet fjalë për një shkencë vëzhguese si astronomia, të shohësh vërtet është të besosh.