Gedanken über den Urknall

Wohin wir unsere Teleskope auch richten, wir sehen Galaxien – zurück bis in die frühesten Zeiten der Geschichte, in denen Galaxien überhaupt existieren konnten. Diese Galaxien fügen sich in ein Muster ein: die großräumige Struktur des Universums. Diese Struktur ist ein riesiges, durch die Schwerkraft geformtes Netz, in dessen Strängen die meisten Galaxien und Galaxienhaufen liegen. In noch größeren Maßstäben entstanden Galaxien und Galaxienhaufen als Schaum riesiger kosmischer Schallwellen, als das Universum noch ein heißer Kessel aus Teilchen und Licht war. Diese Wellen werden „baryonische akustische Schwingungen“ genannt und ermöglichen uns, die Expansionsrate des Universums zu messen, einschließlich der mysteriösen Beschleunigung durch die Dunkle Energie.Unsere Arbeit Wissenschaftler des Zentrums für Astrophysik | Harvard & Smithsonian führen zahlreiche Studien zur großräumigen Struktur des Universums und zu baryonischen akustischen Oszillationen durch. Zwei Beispiele: Durchmusterung von Tausenden von Galaxien am Himmel, um eine dreidimensionale Karte des kosmischen Netzes und der galaxienfreien Hohlräume zu erstellen. Astronomen des CfA führten mit dem 1977 gestarteten CfA Redshift Survey die erste Messung großräumiger Strukturen durch. Zu den aktuellen Projekten gehören die 2MASS-Karte von Galaxien im Infrarotlicht, der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) und die Pan-STARRS-Durchmusterung. Pan-STARRS veröffentlicht die weltweit größte digitale Himmelsdurchmusterung. Durchmusterung von Galaxien und Quasaren zur Kartierung baryonischer akustischer Oszillationen – der Wellen am Himmel, die sogar größer sind als das kosmische Netz. Die Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) ist ein laufendes Projekt zur Kartierung von Zehntausenden von Galaxien, zur Verbesserung unserer Techniken zur Messung kosmischer Entfernungen und zum Verständnis der Dunklen Energie. Eine Ein-Prozent-Messung von Galaxien, die das halbe Universum entfernt sind. Die großräumige Struktur des UniversumsEin vollständig homogenes Universum hätte keine Sterne, Galaxien oder Planeten. Wie sich herausstellte, war unser Universum zu Beginn nahezu vollständig homogen. Die Keimzellen für alles, was wir am Himmel sehen, entstanden wahrscheinlich durch Störungen, die einen winzigen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall entstanden. Dabei handelte es sich um subatomare Schwankungen in der Dichte der Ursuppe aus Quantenteilchen, die sich jedoch mit der Expansion des Universums ausdehnten, bis sie größer waren als jede Galaxie. Wo die Teilchendichte höher war, zog die Schwerkraft noch mehr Teilchen an, insbesondere Dunkle Materie. Diese wiederum zog gewöhnliche Materie an, und Galaxien und Galaxienhaufen wuchsen dort, wo sich genügend Material angesammelt hatte. Das Ergebnis ist die großräumige Struktur des Universums: eine Karte dieser Urfluktuationen. Was wir heute sehen, sind lange Stränge, Schichten und Galaxienhaufen, die ein riesiges Netz bilden. Dieses Netz ist von Hohlräumen durchzogen, in denen sich nur wenige oder gar keine Galaxien befinden. Zentrum für Astrophysik | Die Harvard- und Smithsonian-Wissenschaftler Margaret Geller, John Huchra und ihre Kollegen entdeckten 1989 das erste große Stück dieser Struktur, die als „Große Mauer“ bekannt ist. Die Kartierung dieser großräumigen Struktur liefert uns Informationen über Fluktuationen im frühen Universum, die Verteilung der Dunklen Materie, die Entstehung von Galaxien und ein Maß für die Expansionsgeschwindigkeit des Universums.Baryonische akustische Oszillationen Bevor das Universum etwa 380.000 Jahre alt war, bestand die gesamte gewöhnliche Materie aus heißem, undurchsichtigem Plasma. Schallwellen, die lediglich Muster von Kompression und Dekompression in der Materie darstellen, durchströmten dieses Plasma in alle Richtungen. Als das Universum abkühlte und transparent wurde und die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung entstand, blieben Spuren dieser Schallwellen in der Verteilung gewöhnlicher Materieteilchen zurück, die Astronomen als „Baryonen“ bezeichnen. Die erhaltenen Schallwellen werden als baryonische akustische Oszillationen (BAO) bezeichnet. Im Gegensatz zu großräumigen Strukturen sind sie zu groß, um von dunkler Materie oder Schwerkraft bestimmt zu werden. Aus diesem Grund sind die Höhen und Tiefen der BAO sehr regelmäßig und haben eine Größe von etwa 500 Millionen Lichtjahren – mehr als das Zehnfache der Größe eines großen Galaxienhaufens. Astronomen nutzen die BAO als Maßstab zur Messung von Entfernungen auf kosmischen Skalen. BAO ist für Astronomen auch eine der wichtigsten Methoden zur Untersuchung der Dunklen Energie, der beschleunigten Ausdehnung des Universums.

Sie stellen möglicherweise das CP (d. h. die Homogenitätsskala) in Frage; und ihre Entstehung und ihr Ursprung sind noch nicht vollständig verstanden. In diesem Artikel betrachten wir zwei neuere LSS-Entdeckungen: den Riesenbogen (=14.0pt(GA, =14.0pt∼=14.0pt1 Gpc) ) und den Großen Ring (=14.0pt(BR, =14.0pt∼=14.0pt400 Mpc).
Beide Strukturen befinden sich in derselben kosmologischen Nachbarschaft – bei derselben Rotverschiebung z =14.0pt∼0,8 und mit einem Abstand am Himmel von nur =14.0pt∼=14.0pt12=14.0pt∘=14.0pt Beide Strukturen überschreiten die oft zitierte Homogenitätsskala (Yadav+ 2010). Daher werfen diese beiden faszinierenden Strukturen einzeln und zusammen weitere Fragen zur Gültigkeit des CP auf und deuten möglicherweise auf neue Physik jenseits des Standardmodells hin. GA und BR wurden mithilfe einer neuartigen Methode zur Kartierung schwacher Materie bei mittleren Rotverschiebungen entdeckt, interpretiert anhand der Mg-II-Absorptionsdubletts in den Spektren von Hintergrundquasaren.

…und insbesondere, was unter Homogenität zu verstehen ist. (i) Es gibt eine große Skala, die sogenannte Homogenitätsskala, auf der das Universum geglättet werden kann, und die Materieverteilung ließe sich dann gut durch einen stationären Zufallsprozess darstellen, z. B. [3, 4, 5]. (ii) Das Leistungsspektrum legt nahe, dass es immer eine große Skala geben kann, auf der statistisch signifikante Abweichungen in der Materieverteilung auftreten können, aber solche Abweichungen auf großen Skalen sollten selten sein, z. B. [6, 2]. (iii) Es sollte überall Ähnlichkeit herrschen (maximal symmetrisch). Jede beobachtete großräumige Strukturierung deutet darauf hin, dass die Homogenitätsskala, falls vorhanden, größer sein muss als diese Skalen. Das Vorkommen einer bestimmten LSS, selbst der größten bekannten, bedeutet nicht, dass die Wahrscheinlichkeit, eine vergleichbare LSS anderswo zu finden, anders ist. Die Punkte (ii) und (iii) könnten sich widersprechen, da Punkt (ii) nahelegt, dass die größten Strukturen selten sein sollten, und Punkt (iii) nahelegt, dass die größten Strukturen kein Problem für den CP darstellen müssen, sofern ihre Wahrscheinlichkeiten homogen und isotrop sind. (Woher sollen wir das wissen?) Eine hilfreiche Übersicht über die verschiedenen Interpretationen des CP findet sich in [7].

Die unterschiedlichen Interpretationen der Homogenität im CP haben zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen darüber geführt, ob die beobachtete Materie ein homogenes Universum unterstützt. Beispielsweise wurde behauptet, dass groß angelegte Durchmusterungsanalysen Homogenität in leuchtenden roten Galaxien und Quasaren stützen [8, 9, 10]. Die zunehmende Anzahl ultragroßer LSS (uLSS) 1 1 Wir haben den neuen Begriff „ultragroße LSS“ (uLSS) eingeführt, um Strukturen zu bezeichnen, die die von Yadav geschätzte Obergrenze der Homogenitätsskala von =14.0pt∼=14.0pt370 Mpc überschreiten [4]. Entdeckungen könnten jedoch darauf hindeuten, dass Homogenität nicht unterstützt wird. Eine aktuelle Liste der größten LSS, die über Yadavs [4] geschätzte Obergrenze der Homogenitätsskala von=14.0pt∼=14.0pt370 Mpc hinauszugehen scheinen, findet sich in Tabelle 1 in [11]. Vielleicht lassen sich einzelne uLSS-Entdeckungen stattdessen durch die Verwendung von Extremwertstatistiken erklären. Beispielsweise untersuchen [6] und [12] die Sloan Great Wall (SGW) und die Huge Large Quasar Group (Huge-LQG) mit simulierten bzw. zufälligen Katalogen und stellen fest, dass simulierte/zufällige Strukturen vergleichbarer Größe und Überdichte problemlos reproduziert werden können. Etwas anders verhält es sich mit der Huge-LQG: [13] verwendete die kosmologische Horizon Run 2-Simulation und Extremwertanalyse, um zu zeigen, dass die Huge-LQG mit dem Standard-ΛCDM-Modell kompatibel ist, wenn sie die größte derartige Struktur in einem über fünfmal größeren Volumen darstellt. Ähnlich verhält es sich mit der SGW: [6] stellte fest, dass zwar Strukturen vergleichbarer Größe und Überdichte der SGW in ihren Simulationen reproduziert wurden, diese aber stets zu den sechs größten und reichsten Strukturen gehörten, die in den 200 simulierten Proben entdeckt wurden. Diese Ergebnisse aus [6] und [13] legen nahe, dass hinsichtlich der Kompatibilität von uLSS mit dem ΛCDM-Modell die Gesamtheit der uLSS wichtiger sein könnte als jede einzelne Struktur. In diesem Übersichtsartikel diskutieren wir zwei faszinierende uLSS-Entdeckungen, den Giant Arc (GA) [11] und den Big Ring (BR) [14]. Abbildung 1 zeigt eine künstlerische Darstellung beider Strukturen am Himmel. Wir fassen ihre Entdeckungsmethode und statistische Analyse zusammen, beschreiben ihre beobachteten Eigenschaften und kommentieren bzw. spekulieren über ihre möglichen Ursprünge. Der GA und der BR befinden sich in derselben kosmologischen Nachbarschaft bei z∼0,8 und sind am Himmel nur um ∼12∘voneinander getrennt. Einzeln und zusammen überschreiten sie die Yadav-370-Mpc-Skala und könnten daher zumindest einige Interpretationen des CP in Frage stellen. (Beachten Sie, dass das Wort „Herausforderung“ nicht gleichbedeutend mit „Widerspruch“ ist, sondern etwas impliziert, das weiter untersucht werden muss.) Ihre Größe und Morphologie scheinen im Standard-ΛCDM-Modell schwer zu erklären. Es ist durchaus möglich, dass die fortgesetzte Untersuchung faszinierender und unerwarteter Anomalien wie dieser zu neuen Entwicklungen in der Kosmologie führen wird.

Diskussion und Schlussfolgerungen
Wir haben zwei kürzlich entdeckte uLSS untersucht: den Riesenbogen und den Großen Ring (GA und BR). Beide wurden visuell als markante Überdichten in Mg-II-Bildern entdeckt und anschließend durch eine Reihe statistischer Auswertungen sowie unabhängige Bestätigungen durch DR16Q-Quasare und DESI-Cluster untermauert. Beide überschreiten die von Yadav geschätzte Obergrenze der Homogenitätsskala und ergänzen die wachsende Liste von uLSS, die das Kosmologische Prinzip (CP) in dieser Hinsicht in Frage stellen. Wir weisen jedoch darauf hin, dass die Interpretationen des CP variieren. GA und BR weisen, wie ihre Namen vermuten lassen, eine faszinierende Morphologie auf. Es gibt sogar Hinweise darauf, dass sich der GA zu einem Riesenring ausdehnen könnte, der den BR umhüllt. Während der BR in der Projektion am Himmel vollständig als Ring erscheint, scheint er sich in 3D-Visualisierungen in einen zentralen flachen Ring (der die meisten Absorber enthält) hinein- und wieder herauszuwinden. Extremwertanalysen und kosmologische Simulationen haben gezeigt, dass einige einzelne Vorkommen von uLSS mit dem CP und dem ΛCDM vereinbar sein könnten. Es ist jedoch nicht offensichtlich, dass die gesamte akkumulierte Menge an uLSS konsistent sein wird. Angesichts ihrer Morphologie benötigen insbesondere GA und BR möglicherweise eine Erklärung außerhalb des ΛCDM. Eine Möglichkeit könnten kosmische Strings sein, die in jüngsten Arbeiten [46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53] aktuell geworden sind. Insbesondere beim BR stellten wir dessen Ähnlichkeit in Projektion und Radius mit einer einzelnen baryonischen akustischen Oszillation (BAO) fest [54, 55, 56, 57, 58]. Angesichts der nicht-sphärischen, gewundenen Natur des BR und seiner tatsächlichen Größe als ein BAO =14.0pt(r=14.0pt∼=14.0pt200 Mpc im Vergleich =14.0ptzu r=14.0pt∼=14.0pt150 Mpc ein BAO) ist ein Ursprung des BR in BAOs jedoch wahrscheinlich ausgeschlossen. Unerwartete und scheinbar anomale Entdeckungen in der Kosmologie, wie uLSSs im Allgemeinen und GA und BR im Besonderen, könnten einen Weg zu einem besseren Verständnis und zur Verfeinerung des Standardmodells aufzeigen. Es könnte hilfreich sein zu beobachten, wohin sie führen.