"Physical Review D" publiceerde een laatste onderzoeksrapport in de vorm van "Editors' Suggestion". Het rapport stelde dat een onderzoeksteam meer dan 1 miljoen sterrenstelsels heeft geanalyseerd om de oorsprong van de structuur van het huidige universum te onderzoeken. Onderzoekers hebben een opmerkelijke rangschikking van de vormen van sterrenstelsels over grote afstanden onthuld, met behulp van een innovatieve aanpak die aspecten van de inflatietheorie bevestigt en aanzienlijke vooruitgang markeert in het begrijpen van de vorming van het universum.

Tot op de dag van vandaag hebben nauwkeurige observaties en analyses van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) en de grootschalige structuur (LSS) een standaard raamwerk van het universum tot stand gebracht, het zogenaamde ΛCDM-model, waarin koude donkere materie (CDM) en donkere energie (kosmologische constante Λ) belangrijke kenmerken zijn.

Beelden verkregen door het observeren van de grootschalige structuur van het universum. De talrijke objecten, weergegeven van geel tot rood, vertegenwoordigen sterrenstelsels op honderden miljoenen lichtjaren afstand van de aarde. Deze sterrenstelsels zijn er in allerlei kleuren en vormen en zijn ontelbaar in de uitgestrektheid van de ruimte. De ruimtelijke verdeling en vormpatronen van deze sterrenstelsels zijn niet willekeurig, maar hebben ‘correlaties’ die zijn afgeleid van de statistische eigenschappen van de oorspronkelijke fluctuatiezaden die door inflatie werden voorspeld. Bron: SubaruHSC

Dit model gaat ervan uit dat de oorspronkelijke golf werd gegenereerd aan het begin van het universum, of in de begindagen van het universum. Het was als een trigger die leidde tot de creatie van alles in het universum, inclusief sterren, sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en hun ruimtelijke verspreiding door de ruimte. Hoewel de fluctuaties erg klein zijn wanneer ze worden gegenereerd, zullen de fluctuaties in de loop van de tijd onder invloed van de zwaartekracht blijven toenemen, waardoor uiteindelijk een dicht gebied van donkere materie ontstaat, de halo. Vervolgens kwamen verschillende ringen herhaaldelijk met elkaar in botsing en versmolten met elkaar, waardoor hemellichamen zoals sterrenstelsels ontstonden.

Galaxy-distributie en oorspronkelijke fluctuaties

Omdat de aard van de ruimtelijke verdeling van sterrenstelsels sterk wordt beïnvloed door de aard van de oorspronkelijke fluctuaties die oorspronkelijk de sterrenstelsels voortbrachten, hebben mensen actief statistische analyses uitgevoerd op de verdeling van sterrenstelsels om de aard van de oorspronkelijke fluctuaties observationeel te onderzoeken. Daarnaast weerspiegelen ruimtelijke patronen in de vorm van sterrenstelsels verspreid over grote delen van het universum ook de aard van de onderliggende oorspronkelijke fluctuaties.

Traditionele grootschalige structurele analyse richt zich echter alleen op de ruimtelijke verdeling van sterrenstelsels als punten. Onlangs zijn onderzoekers begonnen met het bestuderen van de vorm van sterrenstelsels omdat deze niet alleen meer informatie oplevert, maar ook de aard van de oorspronkelijke fluctuaties vanuit een ander perspectief onthult.

Een visueel diagram van hoe ‘verschillen’ in de oorspronkelijke fluctuaties van het universum leiden tot verschillende ruimtelijke verdelingen van donkere materie. De middelste grafiek (gedeeld door de bovenste en onderste rijen) toont fluctuaties in een Gaussiaanse referentieverdeling. Het kleurverloop (van blauw naar geel) komt overeen met de fluctuerende waarden op die locatie (van een gebied met lage dichtheid naar een gebied met hoge dichtheid). De afbeeldingen links en rechts laten fluctuaties zien die enigszins afwijken van een Gaussiaanse of niet-Gaussiaanse verdeling. Het teken tussen haakjes geeft het teken aan van de afwijking van de Gauss-verdeling, met negatieve (-) afwijkingen aan de linkerkant en positieve (+) afwijkingen aan de rechterkant. De bovenste rij is een voorbeeld van isotroop niet-Gaussisch. Vergeleken met de centrale Gaussiaanse fluctuaties toont de linkerafbeelding een toename in gebieden met grote negatieve waarden (donkerblauw), terwijl de afbeelding aan de rechterkant een toename laat zien in gebieden met grote positieve waarden (heldergeel). Het is bekend dat we de waargenomen ruimtelijke verdeling van sterrenstelsels kunnen gebruiken om naar deze isotrope niet-Gaussianiteit te zoeken. De onderstaande figuur is een voorbeeld van anisotrope niet-Gaussianiteit. Vergeleken met het isotrope geval in de bovenste afbeelding zijn de algehele helderheid en duisternis onveranderd vergeleken met de Gaussiaanse fluctuaties in de middelste afbeelding, maar de vorm van elk gebied is dat wel. We kunnen naar deze ‘anisotrope’ niet-Gaussiaanse aard zoeken in de ruimtelijke patronen van sterrenstelsels. Bron: Kurita & Takada

Een onderzoeksteam onder leiding van de toenmalige Kavli IPMU-afgestudeerde student Toshiki Kurita (nu postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck Instituut voor Astrofysica) en Kavli IPMU-professor Masahiro Takada ontwikkelden een methode om het vermogensspectrum van sterrenstelselvormen te meten om belangrijke statistische informatie uit sterrenstelselvormpatronen te extraheren door spectrale gegevens over de ruimtelijke verdeling van sterrenstelsels te combineren met beeldgegevens over individuele sterrenstelselvormen.

Uitgebreide analyse en belangrijkste bevindingen

De onderzoekers analyseerden ook de ruimtelijke distributie en vormpatronen van ongeveer 1 miljoen sterrenstelsels uit de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), het grootste sterrenstelselonderzoek ter wereld van vandaag.

Zo slaagden ze erin de statistische eigenschappen van de oorspronkelijke fluctuaties waaruit de hele structuur van het universum werd gevormd, te beperken.

De blauwe stippen en foutbalken zijn numerieke waarden voor het vermogensspectrum van de vorm van sterrenstelsels. De verticale as vertegenwoordigt de sterkte van de correlatie tussen de vormen van twee sterrenstelsels, dat wil zeggen de consistentie van de richting van de vormen van sterrenstelsels. De horizontale as vertegenwoordigt de afstand tussen twee sterrenstelsels, en de linker (rechter) as vertegenwoordigt de correlatie tussen verder weg gelegen (dichterbij gelegen) sterrenstelsels. Grijze stippen vertegenwoordigen niet-fysieke schijnbare correlaties. De waarde is nul binnen de foutmarge, wat bevestigt dat het blauwe meetpunt inderdaad een astrofysisch gegenereerd signaal is. De zwarte curve is de theoretische curve van het meest standaard inflatiemodel en komt zeer goed overeen met de werkelijke gegevenspunten. Bron: Kurita&Takada

Ze ontdekten dat er een statistisch significante consistentie was in de vorm en oriëntatie van de twee sterrenstelsels die meer dan 100 miljoen lichtjaar uit elkaar stonden. Hun resultaten laten zien dat er correlaties bestaan ​​tussen verre sterrenstelsels die schijnbaar onafhankelijk en zonder oorzaak-gevolgrelaties zijn ontstaan.

“In deze studie hebben we beperkingen opgelegd aan de eigenschappen van de oorspronkelijke golven door middel van statistische analyse van de ‘vormen’ van talloze sterrenstelsels verkregen uit grootschalige structurele gegevens. Er is weinig precedent voor het gebruik van vormen van sterrenstelsels om de fysica van het vroege universum te onderzoeken, en het onderzoeksproces was een reeks van vallen en opstaan, van het bedenken en ontwikkelen van analytische methoden tot daadwerkelijke data-analyse. Hierdoor kreeg ik te maken met veel uitdagingen. Maar ik ben blij dat ik deze taken tijdens mijn doctoraat heb kunnen voltooien. de eerste stap zijn in het gebruik van vormen van sterrenstelsels om een nieuw onderzoeksveld in de kosmologie te openen."

Bovendien bevestigt een gedetailleerde studie van deze correlaties dat ze consistent zijn met de correlaties die door de inflatie worden voorspeld en dat ze niet de niet-Gaussiaanse kenmerken van de oorspronkelijke fluctuaties vertonen.

"Dit onderzoek is het resultaat van Toshiki's proefschrift. Het is een opmerkelijk onderzoeksresultaat. We hebben een methode ontwikkeld om een kosmologisch model te valideren met behulp van de vorm en verdeling van sterrenstelsels, deze toegepast op de gegevens en vervolgens de fysica van de inflatie getest. Dit is een ongekend onderzoeksonderwerp, maar hij heeft de theorie, de meting en de toepassing van deze drie stappen voltooid. Gefeliciteerd! Ik ben erg trots dat we alle drie de stappen hebben kunnen voltooien. Helaas heb ik deze geweldige ontdekking van de nieuwe inflatiefysica niet gedaan, maar dat hebben we wel gedaan heeft een pad geopend voor toekomstig onderzoek met de Subaru Prime Focus Spectrograph”, aldus Takada.

Samengestelde bron: ScitechDaily