«Physical Review D» опубликовало последний исследовательский отчет в форме «Предложения редакции». В отчете говорится, что исследовательская группа проанализировала более 1 миллиона галактик, чтобы изучить происхождение структуры нынешней Вселенной. Исследователи обнаружили удивительное расположение форм галактик на огромных расстояниях, используя инновационный подход, который подтверждает аспекты теории инфляции и знаменует собой значительный прогресс в понимании формирования Вселенной.

До сегодняшнего дня точные наблюдения и анализ космического микроволнового фона (CMB) и крупномасштабной структуры (LSS) установили стандартную структуру Вселенной, так называемую модель ΛCDM, в которой холодная темная материя (CDM) и темная энергия (космологическая постоянная Λ) являются важными характеристиками.

Изображения, полученные путем наблюдения за крупномасштабной структурой Вселенной. Многочисленные объекты, показанные от желтого до красного, представляют собой галактики, находящиеся на расстоянии сотен миллионов световых лет от Земли. Эти галактики бывают самых разных цветов и форм, и их бесчисленное множество на просторах космоса. Пространственное распределение и формы этих галактик не случайны, а имеют «корреляции», полученные из статистических свойств исходных зародышей флуктуаций, предсказанных инфляцией. Источник: SubaruHSC

Эта модель полагает, что первоначальная волна возникла в начале существования Вселенной или в первые дни ее существования. Это было как спусковой крючок, приведший к созданию всего во Вселенной, включая звезды, галактики, скопления галактик, и их пространственное распределение по космосу. Хотя колебания в момент их возникновения очень малы, со временем они будут продолжать увеличиваться под действием силы тяжести, в конечном итоге образуя плотную область темной материи, которая и есть гало. Затем разные кольца неоднократно сталкивались и сливались друг с другом, образуя небесные объекты, такие как галактики.

Распределение галактик и первоначальные колебания

Поскольку на характер пространственного распределения галактик глубоко влияет природа первоначальных флуктуаций, которые первоначально породили галактики, люди активно проводят статистический анализ распределения галактик, чтобы исследовать природу первоначальных флуктуаций путем наблюдений. В дополнение к этому, пространственные закономерности форм галактик, разбросанных по обширным областям Вселенной, также отражают природу лежащих в их основе первичных флуктуаций.

Однако традиционный крупномасштабный структурный анализ фокусируется только на пространственном распределении галактик как точек. Недавно исследователи начали изучать форму галактик, поскольку это не только дает больше информации, но и раскрывает природу первоначальных колебаний с другой точки зрения.

Наглядная диаграмма того, как «различия» в первоначальных флуктуациях Вселенной приводят к различному пространственному распределению темной материи. Центральный график (общий для верхнего и нижнего рядов) показывает колебания эталонного распределения Гаусса. Цветовой градиент (от синего к желтому) соответствует изменяющимся значениям в этом месте (от области с низкой плотностью к области с высокой плотностью). Изображения слева и справа показывают колебания, которые слегка отклоняются от гауссовского или негауссовского распределения. Знак в скобках указывает знак отклонения от распределения Гаусса, с отрицательными (-) отклонениями слева и положительными (+) отклонениями справа. Верхний ряд представляет собой пример изотропной негауссовой зависимости. По сравнению с центральными гауссовскими колебаниями на левом изображении видно увеличение областей больших отрицательных значений (темно-синий), а на изображении справа — увеличение областей больших положительных значений (ярко-желтый). Известно, что мы можем использовать наблюдаемое пространственное распределение галактик для поиска этой изотропной негауссовости. На рисунке ниже показан пример анизотропной негауссовости. По сравнению с изотропным случаем на верхнем изображении общая яркость и темнота не изменились по сравнению с гауссовыми флуктуациями на среднем изображении, но форма каждой области осталась неизменной. Мы можем искать эту «анизотропную» негауссову природу в пространственных закономерностях форм галактик. Источник: Курита и Такада.

Исследовательская группа под руководством тогдашнего аспиранта ИПМУ Кавли Тошики Куриты (ныне постдокторанта в Институте астрофизики Макса Планка) и профессора ИПМУ Кавли Масахиро Такада разработала метод измерения спектра мощности форм галактик для извлечения ключевой статистической информации из моделей формы галактик путем объединения спектральных данных о пространственном распределении галактик и данных изображений отдельных форм галактик.

Комплексный анализ и ключевые выводы

Исследователи также проанализировали пространственное распределение и модели формы около 1 миллиона галактик из Слоановского цифрового обзора неба (SDSS), крупнейшего на сегодняшний день исследования галактик в мире.

Таким образом, им удалось ограничить статистические свойства первоначальных флуктуаций, из которых сформировалась вся структура Вселенной.

Синие точки и полосы ошибок представляют собой числовые значения спектра мощности формы галактики. Вертикальная ось представляет силу корреляции между формами двух галактик, то есть постоянство направления форм галактик. Горизонтальная ось представляет расстояние между двумя галактиками, а левая (правая) ось представляет корреляцию между более далекими (ближними) галактиками. Серые точки представляют собой нефизические видимые корреляции. Значение равно нулю в пределах погрешности, что подтверждает, что синяя точка измерения действительно является астрофизически сгенерированным сигналом. Черная кривая представляет собой теоретическую кривую самой стандартной модели инфляции и очень хорошо соответствует фактическим данным. Источник: Курита и Такада.

Они обнаружили статистически значимое соответствие в форме и ориентации двух галактик, находящихся на расстоянии более 100 миллионов световых лет друг от друга. Их результаты показывают, что существуют корреляции между далекими галактиками, которые, по-видимому, сформировались независимо и без причинно-следственных связей.

«В этом исследовании мы наложили ограничения на свойства исходных волн посредством статистического анализа «форм» многочисленных галактик, полученных на основе крупномасштабных структурных данных. Прецедентов использования форм галактик для изучения физики ранней Вселенной мало, а процесс исследования представлял собой серию проб и ошибок, от концепции и разработки аналитических методов до реального анализа данных. Из-за этого я столкнулся со многими проблемами. Но я рад, что смог выполнить эти задачи во время работы над докторской диссертацией. Я считаю, что этот результат будет первым шаг в использовании форм галактик откроет новую область исследований в космологии».

Более того, детальное изучение этих корреляций подтверждает, что они согласуются с предсказаниями инфляции и не проявляют негауссовых характеристик исходных колебаний.

«Это исследование является результатом докторской диссертации Тошики. Это замечательный результат исследования. Мы разработали метод проверки космологической модели с использованием формы и распределения галактик, применили его к данным, а затем проверили физику инфляции. Это беспрецедентная тема исследования, но он завершил теорию, измерение и применение этих трех шагов. Поздравляю! Я очень горжусь, что мы смогли выполнить все три шага. К сожалению, я не сделал это великое открытие новой физики инфляции, но мы открыли путь для будущих исследований с помощью спектрографа Subaru Prime Focus», — сказал Такада.

Источник составления: ScitechDaily.