„Physical Review D“ hat einen aktuellen Forschungsbericht in Form von „Editors‘ Suggestion“ veröffentlicht. In dem Bericht heißt es, dass ein Forschungsteam mehr als eine Million Galaxien analysiert habe, um den Ursprung der Struktur des gegenwärtigen Universums zu erforschen. Forscher haben mithilfe eines innovativen Ansatzes eine bemerkenswerte Anordnung von Galaxienformen über weite Entfernungen entdeckt, die Aspekte der Inflationstheorie bestätigt und einen bedeutenden Fortschritt beim Verständnis der Entstehung des Universums darstellt.

Bis heute haben präzise Beobachtungen und Analysen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) und der großräumigen Struktur (LSS) ein Standardgerüst des Universums etabliert, das sogenannte ΛCDM-Modell, in dem kalte dunkle Materie (CDM) und dunkle Energie (kosmologische Konstante Λ) wichtige Merkmale sind.

Bilder, die durch Beobachtung der großräumigen Struktur des Universums gewonnen wurden. Die zahlreichen von gelb bis rot dargestellten Objekte repräsentieren Galaxien, die Hunderte Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Diese Galaxien kommen in den unterschiedlichsten Farben und Formen vor und sind in den Weiten des Weltraums zahllos. Die räumliche Verteilung und die Formmuster dieser Galaxien sind nicht zufällig, sondern weisen „Korrelationen“ auf, die aus den statistischen Eigenschaften der ursprünglichen, durch Inflation vorhergesagten Fluktuationskeime abgeleitet sind. Quelle: SubaruHSC

Dieses Modell geht davon aus, dass die ursprüngliche Welle zu Beginn des Universums oder in den frühen Tagen des Universums erzeugt wurde. Es war wie ein Auslöser, der zur Entstehung von allem im Universum führte, einschließlich Sternen, Galaxien, Galaxienhaufen und ihrer räumlichen Verteilung im Weltraum. Obwohl die Fluktuationen bei ihrer Entstehung sehr gering sind, nehmen sie im Laufe der Zeit unter der Anziehungskraft der Schwerkraft weiter zu und bilden schließlich einen dichten Bereich dunkler Materie, den Halo. Dann kollidierten verschiedene Ringe wiederholt und verschmolzen miteinander, wodurch Himmelsobjekte wie Galaxien entstanden.

Galaxienverteilung und ursprüngliche Schwankungen

Da die Art der räumlichen Verteilung von Galaxien stark von der Art der ursprünglichen Fluktuationen abhängt, die die Galaxien ursprünglich hervorgebracht haben, werden aktiv statistische Analysen zur Verteilung von Galaxien durchgeführt, um die Natur der ursprünglichen Fluktuationen durch Beobachtungen zu erforschen. Darüber hinaus spiegeln räumliche Muster in den Formen von Galaxien, die über weite Teile des Universums verteilt sind, auch die Natur der zugrunde liegenden ursprünglichen Fluktuationen wider.

Die traditionelle Strukturanalyse im großen Maßstab konzentriert sich jedoch nur auf die räumliche Verteilung von Galaxien als Punkte. Vor kurzem haben Forscher damit begonnen, die Form von Galaxien zu untersuchen, weil sie nicht nur mehr Informationen liefert, sondern auch die Natur der ursprünglichen Schwankungen aus einer anderen Perspektive offenbart.

Ein visuelles Diagramm, das zeigt, wie „Unterschiede“ in den ursprünglichen Fluktuationen des Universums zu unterschiedlichen räumlichen Verteilungen der Dunklen Materie führen. Das mittlere Diagramm (gemeinsam mit der oberen und unteren Reihe) zeigt Schwankungen in einer Referenz-Gauß-Verteilung. Der Farbverlauf (von Blau nach Gelb) entspricht den schwankenden Werten an diesem Ort (von einem Bereich mit geringer Dichte zu einem Bereich mit hoher Dichte). Die Bilder links und rechts zeigen Schwankungen, die leicht von einer Gauß- bzw. Nicht-Gauß-Verteilung abweichen. Das Vorzeichen in Klammern gibt das Vorzeichen der Abweichung von der Gaußschen Verteilung an, mit negativen (-) Abweichungen links und positiven (+) Abweichungen rechts. Die obere Reihe ist ein Beispiel für eine isotrope Nicht-Gauß-Funktion. Im Vergleich zu den zentralen Gaußschen Schwankungen zeigt das linke Bild eine Zunahme von Bereichen mit großen negativen Werten (dunkelblau), während das rechte Bild eine Zunahme von Bereichen mit großen positiven Werten (hellgelb) zeigt. Es ist bekannt, dass wir die beobachtete räumliche Verteilung von Galaxien nutzen können, um nach dieser isotropen Nicht-Gaußianität zu suchen. Die folgende Abbildung ist ein Beispiel für anisotrope Nicht-Gaussianität. Im Vergleich zum isotropen Fall im oberen Bild sind die Gesamthelligkeit und -dunkelheit im Vergleich zu den Gaußschen Schwankungen im mittleren Bild unverändert, die Form jedes Bereichs jedoch unverändert. Wir können nach dieser „anisotropen“ nicht-Gaußschen Natur in den räumlichen Mustern der Galaxienformen suchen. Quelle: Kurita & Takada

Ein Forschungsteam unter der Leitung des damaligen Kavli-IPMU-Doktoranden Toshiki Kurita (heute Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astrophysik) und Kavli-IPMU-Professor Masahiro Takada entwickelte eine Methode zur Messung des Leistungsspektrums von Galaxienformen, um wichtige statistische Informationen aus Galaxienformmustern zu extrahieren, indem Spektraldaten zur räumlichen Verteilung von Galaxien und Bilddaten zu einzelnen Galaxienformen kombiniert werden.

Umfassende Analyse und wichtige Erkenntnisse

Die Forscher analysierten außerdem die räumliche Verteilung und Formmuster von etwa einer Million Galaxien aus dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS), der derzeit größten Galaxiendurchmusterung der Welt.

Dadurch gelang es ihnen, die statistischen Eigenschaften der ursprünglichen Fluktuationen einzuschränken, aus denen die gesamte Struktur des Universums entstand.

Die blauen Punkte und Fehlerbalken sind numerische Werte für das Leistungsspektrum der Galaxienform. Die vertikale Achse stellt die Stärke der Korrelation zwischen den Formen zweier Galaxien dar, also die Konsistenz der Richtung der Galaxienformen. Die horizontale Achse stellt den Abstand zwischen zwei Galaxien dar und die linke (rechte) Achse stellt die Korrelation zwischen weiter entfernten (näheren) Galaxien dar. Graue Punkte stellen nicht-physikalische scheinbare Zusammenhänge dar. Der Wert liegt innerhalb der Fehlermarge bei Null, was bestätigt, dass es sich beim blauen Messpunkt tatsächlich um ein astrophysikalisch erzeugtes Signal handelt. Die schwarze Kurve ist die theoretische Kurve des gängigsten Inflationsmodells und stimmt sehr gut mit den tatsächlichen Datenpunkten überein. Quelle: Kurita&Takada

Sie fanden heraus, dass es eine statistisch signifikante Übereinstimmung in der Form und Ausrichtung der beiden Galaxien gab, die mehr als 100 Millionen Lichtjahre voneinander entfernt waren. Ihre Ergebnisse zeigen, dass es Korrelationen zwischen entfernten Galaxien gibt, die sich offenbar unabhängig voneinander und ohne Ursache-Wirkungs-Beziehungen gebildet haben.

„In dieser Studie haben wir durch statistische Analyse der ‚Formen‘ zahlreicher Galaxien, die aus großräumigen Strukturdaten gewonnen wurden, Beschränkungen für die Eigenschaften der ursprünglichen Wellen auferlegt. Es gibt kaum einen Präzedenzfall für die Verwendung von Galaxienformen zur Erforschung der Physik des frühen Universums, und der Forschungsprozess war eine Reihe von Versuchen und Irrtümern, von der Konzeption und Entwicklung analytischer Methoden bis hin zur eigentlichen Datenanalyse. Aus diesem Grund stand ich vor vielen Herausforderungen. Aber ich bin froh, dass ich diese Aufgaben während meiner Doktorarbeit abschließen konnte. Ich glaube, dass dieses Ergebnis das sein wird.“ erster Schritt zur Nutzung von Galaxienformen zur Erschließung eines neuen Forschungsfeldes in der Kosmologie.“

Darüber hinaus bestätigt eine detaillierte Untersuchung dieser Korrelationen, dass sie mit den durch die Inflation vorhergesagten übereinstimmen und nicht die nicht-Gaußschen Merkmale der ursprünglichen Schwankungen aufweisen.

„Diese Forschung ist das Ergebnis von Toshikis Doktorarbeit. Es ist ein bemerkenswertes Forschungsergebnis. Wir haben eine Methode entwickelt, um ein kosmologisches Modell mithilfe der Form und Verteilung von Galaxien zu validieren, sie auf die Daten angewendet und dann die Physik der Inflation getestet. Dies ist ein beispielloses Forschungsthema, aber er hat die Theorie, Messung und Anwendung dieser drei Schritte abgeschlossen. Herzlichen Glückwunsch! Ich bin sehr stolz, dass wir alle drei Schritte abschließen konnten. Leider habe ich diese großartige Entdeckung nicht gemacht.“ „Wir haben neue Inflationsphysik entwickelt, aber wir haben mit dem Subaru Prime Focus Spectrograph einen Weg für zukünftige Forschungen eröffnet“, sagte Takada.

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily