Universumin suurimmat pyörivät esineet: satojen miljoonien valovuosien mittaiset galaktiset filamentit
Olemme tienneet jo jonkin aikaa maailmankaikkeuden laajamittaisesta rakenteesta. Galaksit sijaitsevat satojen miljoonien valovuosien pituisissa filamenteissa pimeän aineen selkärangassa. Ja missä nuo filamentit kohtaavat, siellä on galaksijoukkoja. Niiden välissä on massiivisia tyhjiöitä, joissa galakseja on harvassa. Nyt joukko tähtitieteilijöitä Saksassa ja heidän kollegansa Kiinassa ja Virossa ovat tehneet kiehtovan löydön.
Nämä massiiviset filamentit pyörivät, eikä tällaista pyörimistä niin massiivisessa mittakaavassa ole koskaan ennen nähty.
On selvää, ettei universumin laajamittaisesta rakenteesta voi ottaa todellista kuvaa. Mutta on joitain melkein kuuluisia kuvia, jotka ovat peräisin Millenium Simulation Program . Millennium Simulation oli supertietokonesimulaatio maailmankaikkeuden kuutioisesta osasta, joka on yli 2 miljardia valovuotta kummallakin puolella. Kuva sisältää noin 20 miljoonaa yksittäistä galaksia, jotka on organisoitunut filamenteiksi ja möykkyiksi, ja se oli ensimmäinen todellinen välähdys universumin LSS:stä.
On huomattavaa katsoa tuota kuvaa nyt ja kuvitella noiden filamenttien pyörivän.
Kuva maailmankaikkeuden laajamittaisesta rakenteesta, jossa näkyy filamentteja ja onteloita kosmisessa rakenteessa. Luotto: Millennium Simulation Project
Tämän löydön takana oleva tähtitieteilijäryhmä työskenteli tietojen kanssa Sloan Digital Sky Survey (SDSS.) SDSS loi erittäin yksityiskohtaisen 3D-kartan maailmankaikkeudesta, joten SDSS-tiedot olivat kriittisiä ryhmän löydön kannalta.
'Kartoitaessamme galaksien liikettä näillä valtavilla kosmisilla superväylillä käyttämällä Sloan Digital Sky -tutkimusta – satojen tuhansien galaksien tutkimusta – löysimme näiden filamenttien merkittävän ominaisuuden: ne pyörivät.' sanoo Peng Wang, nyt julkaistun tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja ja tähtitieteilijä AIP:ssä (Institute for Astrophysics Potsdam).
Jokainen filamenttien galaksi ei ole suurempi kuin pölyhiukkanen suuressa mittakaavassa, eivätkä ne vain pyöri, vaan myös liikkuvat jänteitä pitkin ikään kuin ne olisivat putkilinjoja.
'Ne liikkuvat kierteillä tai korkkiruuvilla kuten kiertoradalla, kiertäen hehkulangan keskellä matkustaessaan sitä pitkin.'
Noam Libeskind, tutkimuksen toinen kirjoittaja, AIP.
'Vaikka ne ovat ohuita sylintereitä - samanlaisia kuin kyniä - satojen miljoonien valovuosien pituisia, mutta vain muutaman miljoonan valovuoden halkaisijaltaan, nämä fantastiset aineen langat pyörivät', lisäsi AIP:n projektin alullepanija Noam Libeskind. 'Näillä asteikoilla niiden sisällä olevat galaksit ovat itse vain pölyhiukkasia. Ne liikkuvat kierteillä tai korkkiruuvilla kuten kiertoradalla, kiertäen hehkulangan keskellä matkustaessaan sitä pitkin. Tällaista pyöritystä ei ole koskaan ennen nähty näin valtavassa mittakaavassa, ja se tarkoittaa, että täytyy olla vielä tuntematon fyysinen mekanismi, joka on vastuussa näiden esineiden kiristämisestä.'
Näiden filamenttien pyörimistä on vaikea visualisoida, ja se on kiehtovaa, kun onnistut. Mutta löydössä on kyse muustakin kuin omasta kiehtovuudestamme. Nämä ovat suurimmat esineet, joita olemme koskaan nähneet pyörivän, ja tämä tarkoittaa, että kulmaliikemäärä voi tapahtua massiivisessa mittakaavassa. Yksi kosmologian mysteereistä on, kuinka tämä kulmaliikemäärä syntyy niin massiivisessa mittakaavassa, koska varhaisessa universumissa ei ollut alkukiertoa.
Löytö perustuu yksittäisten galaksien havaintoihin filamenteissa ja niiden Doppler-siirtymässä. Tässä tutkimuksessa punasiirtymä on kiertoilmaisin, punasiirtymägalaksit ovat väistymässä ja sinisiirretyt galaksit lähestyvät.
Tämä paperin kuva näyttää filamentin pyörimisnopeuden galaksien ja filamentin selkärangan välisen etäisyyden funktiona. Galaksien etäisyys filamentin selkärangasta taantuvalla alueella näytetään punaisella ja positiivisilla arvoilla, kun taas lähestyvän alueen galaksien etäisyys on merkitty sinisellä ja niillä on negatiiviset arvot. Virhepalkit edustavat keskihajonnan keskiarvoa. Kuvan luotto: Wang et al 2021.
Universumin rakenteellisen muodostumisen nykyisessä työmallissa ylitiheydet kasvavat painovoiman epävakauden kautta. Alitiheisiltä alueilta tuleva materiaali virtaa ylitiheyksisille alueille. Mutta tällä materiaalivirralla ei ole pyörimistä tai käpristymistä. Siksi kosmologit sanovat, että varhaisessa universumissa ei ollut pyörimistä. Ja tässä tämä löytö tulee kiinnostavammaksi.
Näissä galaksien filamenteissa näkyvä pyöriminen täytyy synnyttää rakenteiden muodostuessa. Ja nämä filamentit ja muu kosminen verkko liittyvät itse galaksien muodostumiseen ja kehitykseen. Niillä on myös voimakas vaikutus yksittäisten galaksien pyörimiseen ja ne voivat säädellä, kuinka galaksi ja sen pimeän aineen halo pyörivät. Kaikessa tässä on tuntematon osa: tiedemiehet eivät vielä tiedä, kuinka nykyinen ymmärryksemme voi ennustaa filamenttien itsensä pyörivän.
'Tällaista pyöritystä ei ole koskaan ennen nähty näin valtavassa mittakaavassa, ja se tarkoittaa, että on oltava vielä tuntematon fyysinen mekanismi, joka on vastuussa näiden esineiden vääntämisestä.'
Noam Libeskind, tutkimuksen toinen kirjoittaja, AIP.
Ennen tätä tutkimusta muut tutkijat ovat teoriassa, että nämä filamentit pyörivät. Esimerkiksi, Tohtori Mark Neyrinck , Espanjan Baskimaan yliopiston teoreettisen fysiikan laitoksen stipendiaatti, tunnetaan tämän teoretisoinnista. Hänet tunnetaan myös kosmisen rakenteen muodostumisen 'origami'-kuvauksen kehittämisestä. Jonkin sisällä 2016 artikkeli The Paperissa hän sanoi: '...jos galaksit pyörivät (ja ne pyörivät), niin täytyy myös filamentit työntyä ulos niistä. Lisäksi filamentilla liitettyjen galaksien tulisi pyöriä enimmäkseen yhdessä, kuten sauvan päihin kiinnittyneet esineet. Itse asiassa tämä on sopusoinnussa tähtitieteellisten havaintojen kanssa; lähellä olevat galaksit pyörivät yleensä samaan suuntaan.'
Tohtori Neyrinckin työ oli tärkeä lähtökohta tämän artikkelin taustalla olevalle tiimille.
'Teoreetikko tohtori Mark Neyrinckin ehdotuksesta, että filamentit voivat pyöriä, tutkimme havaittua galaksijakaumaa ja etsimme filamentin pyörimistä', sanoo toinen kirjoittaja Noam Libeskind. 'On upeaa nähdä tämä vahvistus siitä, että galaksien väliset filamentit pyörivät todellisessa universumissa sekä tietokonesimulaatiossa.'
Ryhmä käytti hienostunutta kartoitusmenetelmää, joka jakoi havaitun galaksijakauman segmentteihin. Sitten jokainen filamentti arvioitiin sylinterillä. Filamentin galaksit jaettiin sitten kahteen alueeseen filamentin selkärangan kummallakin puolella. Sitten he mittasivat huolellisesti keskimääräisen punasiirtymän eron kahden alueen välillä. 'Keskimääräinen punasiirtymäero on nopeuseron (Doppler-siirtymän) välityspiste hehkuputken väistyvän ja lähestyvän puolen galaksien välillä', kirjoittajat kirjoittavat. Näin he mittasivat filamenttien pyörimisen.
Työryhmä kirjoittaa, että se, mitä he löysivät, ei voi olla satunnaista. 'Se, mitä tässä mitataan ja esitetään, on punasiirtymäero kahden alueen välillä molemmilla puolilla oletettua spinakselia, joka on sama kuin filamentin selkärangan. Tämän suuren täysi jakautuminen on ristiriidassa satunnaisen kanssa riippumatta siitä, millainen katselukulma muodostuu näkölinjan kanssa…”
Tutkijat kuitenkin varoittavat, heidän tulokset eivät tarkoita, että kaikki maailmankaikkeuden filamentit pyörivät. Se olisi ylilyöntiä. 'Tämä työ ei ennusta, että jokainen yksittäinen filamentti universumissa pyörii', he kirjoittavat, 'enemminkin on osanäytteitä - jotka ovat läheisesti yhteydessä katselukulman päätepisteen massaan - jotka osoittavat selkeän signaalin, joka on yhdenmukainen pyörimisen kanssa. Tämä on tämän työn tärkein havainto.'
'Yhdessä', ryhmä kirjoittaa päätelmissään, 'nykyinen tutkimus ja Xia et ai. (2021) osoittavat, että kulmamomenttia voidaan luoda ennennäkemättömässä mittakaavassa, mikä avaa oven kosmisen spinin uudelle ymmärrykselle.'
Tämän työn johtava kirjoittaja on Peng Wang, tähtitieteilijä Institute for Astrophysics Potsdamissa (AIP). Paperin otsikko on 'Mahdollisia havainnointitodisteita kosmisen filamentin pyörimisestä'. Se on julkaistu Nature Astronomy -lehdessä.
Lisää:
- Lehdistötiedote: Maailmankaikkeuden suurimman kiertoliikkeen löytö
- Julkaistu tutkimus: Mahdollinen havaintotodistus kosmisen filamentin pyörimisestä
- Universumi tänään: Limahome kasvaa samalla tavalla kuin maailmankaikkeuden suurikokoinen rakenne