De mest karga områdena som är kända är de avlägsna hörnen av intergalaktiskt utrymme. I dessa vidsträckta vidder mellan galaxerna finns det bara en ensam atom per kubikmeter - en diffus dis av vätgas kvar från Big Bang. På de största skalorna, detta material är arrangerat i ett stort nätverk av filamentstrukturer som kallas den "kosmiska banan, "dess trassliga strängar som spänner över miljarder ljusår och står för majoriteten av atomer i universum.

Nu, ett team av astronomer, inklusive UC Santa Barbara fysiker Joseph Hennawi, har gjort de första mätningarna av småskaliga krusningar i denna urvätgas genom att använda sällsynta dubbelkvasarer. Även om de kosmiska nätets regioner de studerade ligger nästan 11 miljarder ljusår bort, de kunde mäta variationer i dess struktur på våg 100, 000 gånger mindre, jämförbar med storleken på en enda galax. Resultaten visas i journalen Vetenskap .

Intergalaktisk gas är så tuff att den inte avger något eget ljus. Istället studerar astronomer det indirekt genom att observera hur det selektivt absorberar ljuset från fjärran källor som kallas kvasarer. Kvasarer utgör en kort hyperluminisk fas av den galaktiska livscykeln som drivs av materia som faller in i en galaxs centrala supermassiva svarta hål. Fungerar som kosmiska fyrar, de är ljusa, avlägsna fyrar som tillåter astronomer att studera intergalaktiska atomer som befinner sig mellan kvasarens plats och jorden. Men eftersom dessa hyperluminösa episoder bara varar en liten bråkdel av en galax livstid, kvasarer är motsvarande sällsynta och separeras vanligtvis från varandra med hundratals miljoner ljusår.

För att undersöka den kosmiska banan på mycket mindre längder, astronomerna utnyttjade en slumpmässig kosmisk slump:De identifierade ytterst sällsynta par kvasarer och mätte subtila skillnader i absorptionen av intergalaktiska atomer längs de två siktlinjerna.

"Par kvasarer är som nålar i en höstack, "förklarade Hennawi, docent vid UCSB:s institution för fysik. Hennawi var banbrytande för tillämpningen av algoritmer från "maskininlärning" - ett märke av artificiell intelligens - för att effektivt lokalisera kvasarpar i de enorma mängder data som produceras av digitala bildundersökningar av natthimlen. "För att hitta dem, vi kammade igenom bilder av miljarder himmelsföremål miljontals gånger svagare än vad blotta ögat kan se. "

När den väl identifierats, kvasarparen observerades med de största teleskopen i världen, inklusive 10-meters Keck-teleskop vid W.M. Keck -observatoriet på Mauna Kea, Hawaii, varav University of California är en av grundarna.

"En av de största utmaningarna var att utveckla de matematiska och statistiska verktygen för att kvantifiera de små skillnaderna vi mätte i denna nya typ av data, "sade huvudförfattaren Alberto Rorai, Hennawis tidigare doktorand student som nu är postdoktor vid Cambridge University. Rorai utvecklade dessa verktyg som en del av forskningen för sin doktorsexamen och tillämpade dem på spektra av kvasarer med Hennawi och andra kollegor.

Astronomerna jämförde sina mätningar med superdatormodeller som simulerar bildandet av kosmiska strukturer från Big Bang till nutid. På en enda bärbar dator, dessa komplexa beräkningar skulle kräva nästan 1, 000 år att slutföra, men moderna superdatorer gjorde det möjligt för forskarna att utföra dem på bara några veckor.

"Ingången till våra simuleringar är fysikens lagar och resultatet är ett artificiellt universum, som kan jämföras direkt med astronomiska data, "sa medförfattaren Jose Oñorbe, en postdoktor vid Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland, som ledde superdatorsimuleringsansträngningen. "Jag var glad över att se att dessa nya mätningar överensstämmer med det väletablerade paradigmet för hur kosmiska strukturer bildas."

"En anledning till att dessa småskaliga fluktuationer är så intressanta är att de kodar information om gasens temperatur i den kosmiska banan bara några miljarder år efter Big Bang, "förklarade Hennawi.

Astronomer tror att materia i universum gick igenom fasövergångar för miljarder år sedan, som dramatiskt förändrade dess temperatur. Känd som kosmisk återjonisering, dessa övergångar inträffade när det kollektiva ultravioletta skenet av alla stjärnor och kvasarer i universum blev tillräckligt intensivt för att avlägsna elektroner från atomer i intergalaktiskt utrymme. Hur och när nyjonisering skedde är en av de största öppna frågorna inom kosmologi, och dessa nya mätningar ger viktiga ledtrådar som hjälper till att berätta detta kapitel i kosmisk historia.