Всесвіт заповнений мільярдами галактик — але їх розподіл у просторі дуже не рівномірний. Чому ми нині бачимо багато структур у Всесвіті і як це все формувалося та розвивалося?

Огляд десятків тисяч галактик, виконаний упродовж десяти років за допомогою телескопа Магеллана імені Бааде в обсерваторії Лас-Кампанас Інституту науки Карнеґі (Carnegie Institution for Science) в Чилі, дав змогу запропонувати новий підхід до відповіді на цю фундаментальну таємницю. Результати науковців під керівництвом Деніела Кельсона (Daniel Kelson) з Інституту Карнеґі оприлюднив журнал «Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства» (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society).

«Як ви описуєте те, що не було описане?» — запитує Кельсон. «За допомогою абсолютно нового підходу до проблеми». «Наша тактика забезпечує нове та інтуїтивно зрозуміле уявлення про те, як гравітація спричиняла еволюцію структури з найдавніших часів Всесвіту», — сказав співавтор дослідження Ендрю Бенсон (Andrew Benson). «Це пряма спостережна перевірка одного з основоположних уявлень космології».

Дослідження Redshift Carnegie-Spitzer-IMACS виконали з метою вивчення взаємозв’язку між розвитком галактик та навколишнім середовищем протягом останніх 9 мільярдів років, коли вже були сформовані сучасні галактики.

Перші галактики утворилися через кілька сотень мільйонів років після Великого Вибуху, коли виник наш всесвіт у вигляді гарячого каламутного супу з дуже енергійних частинок. Далі Всесвіт розширювався і речовина внаслідок такого розширення охолоджувалася: зрештою частинки утворили нейтральний водень. Деякі ділянки простору були щільнішими за інші, і, зрештою, їхня сила тяжіння переборола розширення простору і речовина стала накопичуватися, утворюючи перші структури в космосі.

Перепади щільності, що уможливило появу в певних ділянках Всесвіту як великих, так і малих структур, — давня цікава тема. Але досі можливості астрономів моделювати, як зростала структура у Всесвіті протягом останніх 13 мільярдів років, обмежують математичні обчислення обмеженнями. «Гравітаційні взаємодії, що виникають між усіма частинками Всесвіту, занадто складні, щоб пояснити їх простою математикою», — сказав Бенсон.

Астрономи використовували математичні наближення, що обмежували точність моделей, чи великі комп’ютерні симуляції, які чисельно моделюють всі взаємодії між галактиками, але не всі взаємодії між усіма частинками, бо це врахувати занадто складно.

Перша структура Всесвіту виникла тоді, коли частина речовини, що виникла після Великого Вибуху, подолала енергію розширення простору й під дією власної сили тяжіння стала утворювати згустки. Група дослідників Інституту науки Карнеґі показала: щільніші згустки речовини росли швидше, а менш щільні — повільніше. Спостережні дані, отримані дослідниками, показали розподіл густини речовини у Всесвіті за останні 9 мільярдів років. (На ілюстрації фіолетовим кольором позначені ділянки низької щільності, а червоним — з високою щільністю.) Повертаючись назад у часі, їхні знахідки виявляють коливання щільності (праворуч, у фіолетовому та синьому кольорах), що спричинили появу найдавнішої структури Всесвіту. Це узгоджується з тим, що ми знаємо про ранній Всесвіт з післясвітіння Великого Вибуху, яке називають космічним мікрохвильовим фоном (праворуч в жовто-зеленому кольорі). Дослідники отримали ці результати, вимірявши відстані та маси майже 100 000 галактик, на відтинку часу, коли вік Всесвіту становив лише 4,5 мільярда років. Близько 35 000 галактик, вивчених під час виконання огляду Redshift Carnegie-Spitzer-IMACS, показані на зображення як невеликі сфери. Дані для космічного мікрохвильового фону ґрунтуються на спостереженнях, отриманих науковою місією Європейського космічного агентства « Планк». Фото з сайту https://carnegiescience.edu.

«Основна мета нашого огляду полягала в обчисленні маси зір, знайдених у величезній вибірці далеких галактик, щоб використати цю інформацію для визначення нового підходу до розуміння того, як утворилася структура у Всесвіті», — пояснив Кельсон. Науковці вперше показали, що зростання окремих протоструктур можна обчислити і потім усереднити по всьому простору. Це виявило, що щільніші згустки речовини зростають швидше, а менш щільні — повільніше.

Потім науковці змогли «пройти» назад в часі й визначити початковий розподіл і темпи зростання коливань густини, які з часом стануть масштабними структурами, що визначають розподіли галактик, які ми бачимо нині.

По суті, ця робота дала простий, але точний опис того, чому і як коливання щільності зростають так, як це відбувається в реальному Всесвіті, а також в математичних моделях, і що лежить в основі нашого розуміння зародження Всесвіту. «І це так просто й так елегантно», — додав Кельсон.

Результат не став би можливим без виділення великої кількості спостережного часу в обсерваторії Ла-Кампанас. «Багато установ не мали б можливості самостійно взяти на себе проект такого масштабу», — сказав директор обсерваторії Джон Малхей (John Mulchaey). «Але завдяки нашим телескопам Магеллана нам вдалося виконати цей огляд і отримати новий підхід до відповіді на класичне запитання».

«Хоча немає сумнівів, що для цього проекту потрібні ресурси такої установи, як Інститут науки Карнеґі, наша робота також не могла відбутися без величезної кількості додаткових інфрачервоних зображень, які ми змогли отримати в Національній обсерваторії Кіт-Пік та обсерваторії Серро-Тололо, які є частиною Національної дослідницької лабораторії оптичної та інфрачервоної астрономії Національного наукового фонду», — додав Кельсон.

За інф. з сайту https://carnegiescience.edu