Was gibt es zwischen Galaxien oder warum kosmische “Hohlräume” studieren?

Das Universum besteht aus vielen kosmischen Strukturen, die durch die räumliche Anordnung von Galaxien sichtbar sind. Diese Strukturen weisen viele Hohlräume auf, dh Regionen, die fast nicht von Galaxien besetzt sind. Viele Wissenschaftler interessieren sich besonders für diese kosmischen Hohlräume. Wie und warum studieren wir sie?

Hohlräume zwischen den großen kosmologischen Strukturen

Kosmische Hohlräume sind Regionen des Universums, die scheinbar frei von Galaxien sind. Sie sollen auch arm an Materie sein, daher ihr Name „kosmische Leere“. Diese Regionen haben charakteristische Größen in der Größenordnung von einigen Millionen Lichtjahren für die “kleinsten” unter ihnen. Die Milchstraße, unsere Galaxie, mit einem Durchmesser in der Größenordnung von hunderttausend Lichtjahren, ist mindestens zehnmal kleiner.

Die ersten kosmischen Hohlräume wurden tatsächlich Ende der 1970er Jahre bei den ersten systematischen Untersuchungen von Galaxien beobachtet. Zu dieser Zeit gab es keine wissenschaftlich etablierten Modelle der Kosmologie, die auf einer konvergierenden Reihe astronomischer Beobachtungen beruhten. Insbesondere die Beobachtungen zur Verteilung der Galaxien waren noch relativ unzureichend. Zum Beispiel war es unmöglich zu sehen, ob die Galaxien eine strukturierte räumliche Organisation hatten oder ob sie homogen verteilt waren.

Diese seit 1938 laufende Debatte wurde von Harlow Shapley initiiert. Erst in den 1970er Jahren gab es erste physikalische Argumente zur räumlichen Strukturierung von Galaxien, die schnell durch echte Beobachtungskampagnen unterstützt wurden.

Die Beobachtung der großen Strukturen, die von Galaxien gebildet werden, hat zu vielen theoretischen Arbeiten geführt, um ihre Bildung zu verstehen. Diese großen Strukturen wurden in Bezug auf das Spinnennetz als “kosmisches Netz” bezeichnet. Die Hohlräume entsprechen den Löchern in dieser Leinwand.

Dichtekontrast aus Galaxienablesungen abgeleitet. Galaxienhaufen sind in orangefarbenen Buchstaben dargestellt. Die Namen einiger bemerkenswerter Hohlräume wurden in lila Buchstaben entdeckt. Die Namen dieser Strukturen, Cluster und Hohlräume, sind mit den Hauptkonstellationen verknüpft, die an derselben Position am Himmel sichtbar sind (Com = Koma / Haar von Berenice, Boo = Böötes, UMa = Ursa Major / Großer Wagen).
Florent Leclercq, Guilhem Lavaux

Trotzdem ist die Untersuchung dieser Hohlräume begrenzt geblieben, da sie zwei Mängel aufweisen. Erstens sind sie groß, was Untersuchungen sehr großer und tiefer Galaxien erfordert, um sie zu erkennen und zu charakterisieren. Dann ist das mathematische Modell der Entwicklung des Vakuums komplexer als das, das verwendet wurde, um die kleinen Abweichungen in der Homogenität der Verteilung von Galaxien auf den Skalen des Universums zu erklären.

Kosmische Hohlräume sind frei von Materie… und werden von dunkler Energie dominiert

Kosmische Hohlräume sind für das Studium des Universums von wissenschaftlichem Interesse: Diese Regionen enthalten per Definition weniger Materie als der Rest des Universums. Aber wenn Sie das gesamte Material entfernen, bleibt noch etwas übrig: dunkle Energie.

Dies wurde nie direkt beobachtet – aber seine Existenz, entweder als kosmologische Konstante oder als vollwertiges physisches Objekt, wird durch die allgemeine Relativitätstheorie nicht verboten und ist nun für die Interpretation notwendig Beobachtungen. Insbesondere muss die Beschleunigung der kosmologischen Expansion erklärt werden.

Die Dunkle-Energie-Hypothese lässt mehrere Variationen zu. Die “einfachste” dunkle Energie würde keine Aggregate bilden. Kosmische Hohlräume enthalten kaum Materie, daher würden sie von dunkler Energie dominiert. Privilegierte Laboratorien, um neue Hypothesen zur Dunklen Energie zu testen, indem sie sich auf die Dynamik der kleinen Galaxien auswirken, die sie bevölkern.



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Die Untersuchung dieser Dynamik erfordert Galaxienablesungen bei extrem niedrigen Leuchtdichten, um diese kleinen Galaxien zu sehen. Diese Umfragen befinden sich in der Entwicklung, zum Beispiel die „Legacy Survey of Space and Time“ oder Euclid.

Erweiterung des Universums und kosmische Hohlräume

Kosmische Hohlräume ermöglichen es nicht nur, Hypothesen über dunkle Energie zu testen, sondern auch die Entwicklung der Expansion des Universums zu messen.

In der Tat besagt das in der Disziplin sehr wichtige „kosmologische Prinzip“, dass die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Universums weder von der Position des Beobachters noch von seiner Beobachtungsrichtung abhängen.

Nach diesem Prinzip müssen die kosmischen Hohlräume im Durchschnitt wie Kugeln aussehen, egal zu welchem ​​Zeitpunkt. Diese Eigenschaft ist wichtig, da sie einen Vergleich des Ausmaßes ermöglicht verbunden aus einem tiefen Vakuum, das durch die Entfernung zwischen den Galaxien, die es begrenzen, in seinem Ausmaß über dem Himmel, gegeben durch die Entfernung über dem Himmel zwischen denselben Galaxien, gegeben ist. Nach dem kosmologischen Prinzip sind diese beiden Größen gleich im Durchschnitt. Das Auferlegen dieser Gleichheit informiert uns im Gegenzug über die Expansionsgeschwindigkeit in dem Moment, in dem das Licht von den Galaxien emittiert wurde, die diese kosmische Leere und damit gleichzeitig den Inhalt des Universums begrenzen.

Darstellung des Profils, das beim Stapeln vieler kosmischer Hohlräume mit sehr unterschiedlichen Formen erhalten wird: Der “durchschnittliche Hohlraum” hat im Wesentlichen die Form einer Kugel (die horizontale Achse gibt die Größe am Himmel an, während die vertikale Achse angibt Größe in Richtung der Tiefe). Aufgrund der Fluchtgeschwindigkeit des Vakuums der Galaxien bleibt eine kleine Verformung bestehen.
Nico Hamaus, Autor zur Verfügung gestellt

Andere Arten von Strukturen können verwendet werden, um denselben Expansionstest durchzuführen – zum Beispiel die akustischen Schwingungen des Urplasmas, bei denen es sich um Strukturen handelt, die viel größer sind als die von Hohlräumen.

Ein Wendepunkt bei der Verwendung von Hohlräumen

Wie oben erwähnt, kann die Form kosmischer Hohlräume, obwohl sie im Durchschnitt eine Kugel ist, sehr unterschiedlich sein – das Kopfbild des Artikels zeigt eine sehr komplexe Form – und diese Variabilität macht ihre systematische Identifizierung kompliziert. .

Die gleichzeitige, aber getrennte Veröffentlichung von zwei Algorithmen, die auf denselben Prinzipien basieren, ermöglichte 2007 einen bedeutenden Durchbruch. Die offene Veröffentlichung ihrer Quellcodes DISPERSE und ZOBOV ermöglichte die Verwendung für viele Anwendungen. Zum Beispiel war es möglich, die Eigenschaften von Galaxien je nach Art der Bahn (einer Leere, eines Clusters oder eines Filaments) zu verfolgen. DISPERSE wurde auch verwendet, um Filamente von Galaxien in Bildern zu finden, die mit einem Detektor im Röntgendomänen aufgenommen wurden, und in viel kleinerem Maßstab, um die Strukturierung von Molekülwolken zu analysieren.

Diese Algorithmen basieren auf mathematischen Konzepten der Differentialtopologie, die es beispielsweise ermöglichen, Wasserunterschiede in der Geographie zu untersuchen. Sie sind robuster als die vorherigen Methoden und ermöglichen die Identifizierung von Hohlräumen, selbst wenn die räumliche Verteilung von Galaxien geringfügig verzerrt ist, dh wenn wir die Galaxien global an einem beliebigen Ort bewegen. welche Richtung (wenn die Verformung nicht zu groß ist).

In Zusammenarbeit mit Mitarbeitern haben wir die Analysekette „VACUUM“ entwickelt, die es insbesondere ermöglichte, offene Datenbanken mit kosmischen Hohlräumen aus der Himmelsvermessung „Sloan“ zu erstellen. Andere Kataloge kosmischer Hohlräume wurden später aus anderen Umfragen wie DES (Dark Energy Survey) erstellt.

Diese Analysen kosmischer Hohlräume führten zu neuen Einschränkungen bei der Expansion des Universums.

Die neuesten Ergebnisse

Die Methoden zur Untersuchung und Charakterisierung kosmischer Hohlräume entwickeln sich weiter und nutzen immer mehr offene Software. Zwei bedeutende Entwicklungen sind im Gange. Erstens ermöglicht die Entwicklung von Computern und Algorithmen immer feinere Datenanalysen: Es ist jetzt möglich, mehr Hohlräume zu erkennen und das kosmische Netz mit immer genauerer Genauigkeit aus Galaxienvermessungen zu rekonstruieren.

Neue Techniken zur Analyse von Galaxienwerten auf der Grundlage dynamischer Modellierung ermöglichen es, eine dreidimensionale Karte der Materie im Universum zu erhalten: Blau für spärliche Regionen und Rot für sehr dichte. Kosmische Hohlräume sind weiß.
Guilhem Lavaux, Autor zur Verfügung gestellt

Außerdem werden die Galaxienwerte immer größer. Ein neuer Artikel wurde gerade zur Begutachtung eingereicht und, wie in der Astrophysik üblich, der Community auf einem offenen Vorveröffentlichungsserver zur Verfügung gestellt. Diese Studie zeigt, dass kosmische Hohlräume den materiellen Inhalt des Universums besser einschränken als die herkömmlich verwendeten Techniken gleich Daten. Es wurde keine signifikante Abweichung in Bezug auf die allgemeine Relativitätstheorie oder die kosmologischen Parameter festgestellt, die durch die Planck-Mission eingeschränkt wurden.

Die nächste große Herausforderung wird die Nutzung von Daten aus der Euklid-Mission sein, die es ermöglichen sollten, beispiellose Einschränkungen für die Dunkle Energie zu erzielen.


Dieser Artikel ist Teil der Reihe „Die schönen Geschichten der offenen Wissenschaft“, die mit Unterstützung des Ministeriums für Hochschulbildung, Forschung und Innovation veröffentlicht wurde. Um mehr zu erfahren, besuchen Sie Ouvrirlascience.fr.

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