Magellan-teleskopen vid Carnegies Las Campanas-observatorium i Chile, som var avgörande för möjligheten att genomföra denna undersökning. Kredit:Yuri Beletsky, Carnegie Institute for Science.
Universum är fullt av miljarder galaxer – men deras fördelning över rymden är långt ifrån enhetlig. Varför ser vi så mycket struktur i universum idag och hur bildades och växte allt?
En 10-årig undersökning av tiotusentals galaxer gjorda med Magellan Baade-teleskopet vid Carnegies Las Campanas-observatorium i Chile gav ett nytt tillvägagångssätt för att besvara detta grundläggande mysterium. Resultaten, ledd av Carnegies Daniel Kelson, publiceras i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .
"Hur beskriver du det obeskrivliga?" frågar Kelson. "Genom att ta ett helt nytt förhållningssätt till problemet."
"Vår taktik ger nya – och intuitiva – insikter om hur gravitationen drev tillväxten av struktur från universums tidigaste tider, " sa medförfattaren Andrew Benson. "Detta är en direkt, observationsbaserat test av en av kosmologins pelare."
Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift Survey utformades för att studera sambandet mellan galaxtillväxt och den omgivande miljön under de senaste 9 miljarderna åren, när moderna galaxers utseende definierades.
De första galaxerna bildades några hundra miljoner år efter Big Bang, som startade universum som en het, grumlig soppa av extremt energirika partiklar. När detta material expanderade utåt från den första explosionen, det svalnade, och partiklarna koaleserade till neutral vätgas. Vissa fläckar var tätare än andra och, så småningom, deras gravitation övervann universums utåtgående bana och materialet kollapsade inåt, bildar de första strukturklumparna i kosmos.
Densitetsskillnaderna som gjorde det möjligt för både stora och små strukturer att bildas på vissa ställen och inte på andra har varit ett mångårigt ämne av fascination. Men tills nu, astronomers förmåga att modellera hur strukturen växte i universum under de senaste 13 miljarderna åren stod inför matematiska begränsningar.
"Gravitationsinteraktionerna mellan alla partiklar i universum är för komplexa för att förklara med enkel matematik, " sa Benson.
Så, astronomer använde antingen matematiska uppskattningar – vilket äventyrade deras modellers noggrannhet – eller stora datorsimuleringar som numeriskt modellerar alla interaktioner mellan galaxer, men inte alla interaktioner som sker mellan alla partiklar, vilket ansågs för komplicerat.
Universums första struktur uppstod när en del av materialet som slungades ut av Big Bang övervann sin bana och kollapsade på sig själv, bildar klumpar. Ett team av Carnegie-forskare visade att tätare materiaklumpar växte snabbare, och mindre täta klumpar växte långsammare. Gruppens data avslöjade fördelningen av densitet i universum under de senaste 9 miljarderna åren. (På illustrationen, violett representerar lågdensitetsregioner och rött representerar högdensitetsregioner.) Arbeta bakåt i tiden, deras fynd avslöjar densitetsfluktuationerna (längst till höger, i lila och blått) som skapade universums tidigaste struktur. Detta överensstämmer med vad vi vet om det antika universum från efterskenet av Big Bang, kallas Cosmic Microwave Background (längst till höger i gult och grönt). Forskarna uppnådde sina resultat genom att kartlägga avstånden och massorna av nästan 100, 000 galaxer, går tillbaka till en tid då universum bara var 4,5 miljarder år gammalt. Cirka 35, 000 av galaxerna som studerats av Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift Survey representeras här som små sfärer. Kredit:Daniel Kelson. CMB-data baseras på observationer erhållna med Planck, ett ESA:s vetenskapsuppdrag med instrument och bidrag som finansieras direkt av ESA:s medlemsstater, NASA, och Kanada.
"Ett huvudmål med vår undersökning var att räkna upp massan som finns i stjärnor som finns i ett enormt urval av avlägsna galaxer och sedan använda denna information för att formulera ett nytt tillvägagångssätt för att förstå hur strukturen bildades i universum, " förklarade Kelson.
Forskargruppen – som också inkluderade Carnegies Louis Abramson, Shannon Patel, Stephen Shektman, Alan Dressler, Patrick McCarthy, och John S. Mulchaey, liksom Rik Williams , nu av Uber Technologies – visade för första gången att tillväxten av individuella protostrukturer kan beräknas och sedan beräknas i medeltal över hela rymden.
Genom att göra detta visade det sig att tätare klumpar växte snabbare, och mindre täta klumpar växte långsammare.
De kunde sedan arbeta bakåt och bestämma de ursprungliga fördelningarna och tillväxthastigheterna för fluktuationerna i densitet, som så småningom skulle bli de storskaliga strukturerna som bestämde fördelningarna av galaxer vi ser idag.
I huvudsak, deras arbete gav en enkel, ändå korrekt, beskrivning av varför och hur densitetsfluktuationer växer som de gör i det verkliga universum, såväl som i det beräkningsbaserade arbete som underbygger vår förståelse av universums barndom.
"Och det är bara så enkelt, med en riktig elegans, " tillade Kelson.
Fynden hade inte varit möjliga utan tilldelningen av ett extraordinärt antal observationsnätter på Las Campanas.
"Många institutioner skulle inte ha haft kapacitet att ta sig an ett projekt av den här omfattningen på egen hand, " sa observatoriechefen John Mulchaey. "Men tack vare våra Magellan-teleskop, vi kunde genomföra den här undersökningen och skapa denna nya metod för att svara på en klassisk fråga."
"Det råder ingen tvekan om att det här projektet krävde resurserna från en institution som Carnegie, vårt arbete hade inte heller kunnat hända utan det enorma antal ytterligare infraröda bilder som vi kunde få på Kit Peak och Cerro Tololo, som båda är en del av NSF:s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, " tillade Kelson.
