Gigantische bogen die alles in het universum in het niet kunnen laten lijken

door Jasmijn Fox Skelly voor de BBC van de toekomst

In 2021 analyseerde Alexia Lopez, een Britse promovendus, licht van verre quasars toen ze een verrassende ontdekking deed.

Het ontdekte een gigantische, bijna symmetrische boog van sterrenstelsels op 9,3 miljard lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Boötes de Herder. De structuur overspant maar liefst 3,3 miljard lichtjaar in doorsnede en beslaat een gebied van 1/15e van de straal van het waarneembare universum. Als we het vanaf de aarde zouden kunnen zien, zou het de grootte hebben van 35 manen die aan de hemel worden geprojecteerd.

bekend als Gigantische boogHulk zet vraagtekens bij enkele basisaannames over het universum.

Volgens het standaardmodel van de kosmologie – de theorie die ten grondslag ligt aan ons begrip van het universum – zou materie ongeveer gelijk verdeeld moeten zijn over de ruimte. Wanneer wetenschappers op zeer grote schaal naar het universum kijken, zouden er geen merkbare onevenwichtigheden moeten zijn; Alles moet er in alle richtingen hetzelfde uitzien.

De Giant Arc is echter niet het enige exemplaar in zijn soort. Deze gigantische structuren dwingen wetenschappers nu om hun theorie over hoe het universum is geëvolueerd opnieuw te evalueren.

Lopez studeerde voor haar master aan de University of Central Lancashire in het Verenigd Koninkrijk toen haar supervisor voorstelde een nieuwe methode te gebruiken om grootschalige structuren in het universum te analyseren.

Het gebruikte quasars – verre sterrenstelsels die een buitengewone hoeveelheid licht uitstralen – om te zoeken naar tekenen van geïoniseerd magnesium, een zeker teken van gaswolken rond een sterrenstelsel. Wanneer licht door dit geïoniseerde magnesium gaat, worden bepaalde frequenties geabsorbeerd, waardoor unieke optische “vingerafdrukken” achterblijven die astronomen kunnen detecteren.

“Ik keek naar de bekende en gedocumenteerde clusters van sterrenstelsels en begon toen in kaart te brengen hoe deze regio’s eruit zagen Magnesium II zegt Lopez.

“Een van de clusters waar ik naar keek was vrij klein, maar toen ik het in Magnesium II tekende, was er een interessante, dichte band van magnesiumopname over het gezichtsveld. Zo zag ik het uiteindelijk. Het was een gelukkig ongeluk en Ik heb gewoon geluk gehad dat ik het heb gevonden.”

De onthulling van Lopez ‘gelukkig ongeluk’ was verrassend. Kijkend naar het sterrenbeeld Boötes, lijkt een groep van 45 tot 50 gasvormige wolken, elk geassocieerd met ten minste één melkwegstelsel, zich te rangschikken in een boog met een doorsnede van 3,3 miljard lichtjaar. Dat is enorm veel gezien het waarneembare universum 94 miljard lichtjaar verwijderd.

Gigantische structuren dwingen wetenschappers nu om hun theorie over hoe het universum is geëvolueerd opnieuw te evalueren
afbeelding: Mark Russel

Volgens het artikel van Lopez is het uiterst onwaarschijnlijk (slechts 0,0003 procent waarschijnlijkheid) dat zo’n grote structuur door toeval zou zijn ontstaan. Het suggereert dat het mogelijk is ontstaan ​​door iets in de natuurlijke fysica van het universum waar we momenteel geen rekening mee houden.

Haar bevindingen dagen direct een centraal aspect van het standaard kosmologische model uit – de beste verklaring die we hebben voor hoe het universum begon en evolueerde.

Dit facet, bekend als het kosmologische principe, stelt dat het heelal er op grote schaal overal ongeveer hetzelfde uit moet zien, waar je ook bent of in welke richting je ook kijkt. Er mogen geen gigantische structuren zijn, de ruimte moet glad en uniform zijn.

Dit is handig, omdat het onderzoekers in staat stelt conclusies te trekken over het hele universum, uitsluitend op basis van wat we vanuit de hoek ervan zien. Het is echter ook logisch dat het universum zich na de oerknal naar buiten uitbreidde en materie in alle richtingen tegelijk uitspuugde.

Er is nog een probleem. Volgens het standaardmodel hadden structuren zoals de Giant Arc eenvoudigweg geen tijd om zich te vormen.

“Het huidige idee van hoe structuren in het universum worden gevormd, is via een proces dat bekend staat als zwaartekrachtinstabiliteit”, zegt Subir Sarkar, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Oxford.

Ongeveer een miljoen jaar na de oerknal, toen het heelal uitdijde, zorgden kleine fluctuaties in dichtheid ervoor dat stukjes materie samenklonterden. Gedurende miljarden jaren heeft de aantrekkingskracht van de zwaartekracht uiteindelijk deze clusters van sterren en sterrenstelsels gevormd. Er is echter een grens aan de schaal van dit proces. Iets groter dan ongeveer 1,2 miljard lichtjaar zou niet genoeg tijd hebben gehad om zich te vormen.

“Om structuren te vormen, moeten de deeltjes zo dicht bij elkaar komen dat zwaartekrachtinstorting kan optreden”, zegt Sarkar.

“Deze deeltjes moeten zich van buiten de structuur verplaatsen om daar te komen. Dus als je structuur 500 miljoen lichtjaar in doorsnee is, duurt het 500 miljoen jaar voordat licht van het ene uiteinde naar het andere gaat. Het deeltje dat we We hebben het over bewegingen die veel langzamer gaan dan licht.” , Het zou dus miljarden jaren kosten om een ​​structuur van deze omvang te creëren, en het universum bestaat pas ongeveer 14 miljard jaar.”

Herdersschoenen zijn vanavond hoog in de lucht. Zoek naar de vorm van een ijshoorntje in de lucht. #Zoeken #Een heel eind pic.twitter.com/qfLmZ8NKfH

– Longway-planetarium (@LongwayP) 8 juni 2016

De gigantische boog die door Lopez werd ontdekt, was niet de enige grote structuur die door astronomen werd ontdekt.

daar “grote muur” (ook wel CfA2 Great Wall genoemd) van sterrenstelsels ontdekt door Margaret Geller en John Hochra in 1989. De muur is ongeveer 500 miljoen lichtjaar lang, 300 miljoen lichtjaar breed en 15 miljoen lichtjaar dik.

Nog groter is het Sloan Grote Muur – een kosmische structuur gevormd uit een gigantische muur van sterrenstelsels, ontdekt in 2003 door J Richard Gott III en Mario Juric en hun collega’s van Princeton University. Deze muur is ongeveer 1,5 miljard lichtjaar in doorsnee.

In het afgelopen decennium is het tempo van ontdekking van deze reus verder versneld. In 2014 kwamen wetenschappers erachter Laniakea-supercluster, een groep sterrenstelsels waarin ons Melkwegstelsel zich bevindt. Lanicia beslaat een gebied van 520 miljoen lichtjaar en bevat Bijna 100 miljoen miljard zonnen.

Toen in 2016 Baas Grote Muur Er is een groep sterrenstelsels ontdekt met een diameter van meer dan een miljard lichtjaar. BOSS bestaat uit 830 afzonderlijke sterrenstelsels die door de zwaartekracht in vier gigantische clusters zijn getrokken. Melkwegstelsels zijn verbonden door lange filamenten van heet gas. in 2020 Antarctische muur Dat zich uitstrekt over 1,4 miljard lichtjaar wordt ook aan de lijst toegevoegd.

De huidige recordhouder voor de grootste van deze structuren is echter Grote Muur van China Hercules Corona Borealis. Ontdekt in 2013, omspant het 10 miljard lichtjaar – meer dan een tiende van de grootte van het zichtbare universum.

Ongeveer een miljoen jaar na de oerknal begonnen zich sterrenstelsels te vormen toen materie begon samen te klonteren.
afbeelding: RNZ

“We berekenden het en realiseerden ons toen: ‘Dit is het grootste ding in het universum'”, zegt John Hakila, een professor in natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Alabama in Huntsville.

Hun bezorgdheid was terecht. Hakkila en Lopez voerden een reeks statistische tests uit om te proberen te bewijzen dat de resultaten niet op toeval konden berusten.

Voor Giant Arc hebben de resultaten een betrouwbaarheidsniveau van 99,9997 procent. In wetenschappelijk onderzoek staat de gouden standaard voor statistische significantie bekend als 5-sigma, wat neerkomt op een kans van ongeveer 1 op 3,5 miljoen dat resultaten op toeval berusten. De gigantische Boogschutter heeft een magnitude van 4,5 sigma bereikt, dus er is nog steeds een mogelijkheid dat de structuur een mogelijke rangschikking van sterren is.

“Onze ogen zijn erg goed in het zien van patronen. Je ziet misschien initialen in wolken, maar dat is geen echte structuur, je brein dwingt structuur af op wat eigenlijk willekeurig is”, legt Sarkar uit.

“Ik denk echter niet dat dat in dit geval het geval is, ik denk dat het een echte fysieke keten van gigantische clusters is.”

Als er meer structuren zoals de Giant Arc en Hercules-Corona Borealis Great Wall blijken te bestaan, zullen astronomen gedwongen worden om het standaardmodel van de kosmologie te herschrijven – of op zijn minst te herzien.

Het is niet de eerste keer dat het model moet worden aangepast. in 1933, Caltech-wetenschapper Fritz Zwicky heeft de massa van een groep sterrenstelsels gemeten, En hij ontdekte dat het aantal kleiner was dan hij had verwacht. De cluster was zelfs zo klein dat de sterrenstelsels van elkaar moesten wegtrekken om aan de zwaartekracht van de cluster te ontsnappen.

Daarom moet iets anders clusters van sterrenstelsels aan elkaar binden.

Dit “iets” is donkere materie, een mysterieuze substantie waarvan wordt aangenomen dat deze 27% van het universum uitmaakt. Vervolgens werd in 1998 het model aangepast om op te nemen donkere energie, Nadat twee onafhankelijke teams van astronomen de expansie van het universum hadden gemeten en ontdekten dat het versnelde.

Hoe dan ook, we zouden het binnen een paar jaar zeker moeten weten. de Legacy Survey of Space and Time (LSST), Het geplande 10-jarige onderzoek van de zuidelijke hemel kan astronomen een ongekend beeld van het universum bieden.

“Een paradigmaverschuiving maken kost veel, vooral wanneer mensen hun leven en baan erin investeren, maar aan het eind van de dag moeten we met de wetenschap zien wie er gelijk heeft”, zegt Sarkar.

– BBC