Entwirrung des Ursprungs des Universums - Forscher analysieren über eine Million Galaxien, um neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Eine transformative Studie hat über eine Million Galaxien analysiert, um die Ursprünge der kosmischen Struktur zu erforschen und bedeutende Ausrichtungen in den Formen von Galaxien über große Entfernungen aufzudecken. Diese Forschung, die innovative Methoden nutzt und Aspekte der Inflations-Theorie bestätigt, markiert einen signifikanten Fortschritt im Verständnis der Entstehung des Universums.

Ein Team von Forschern hat in einer kürzlich in Physical Review D veröffentlichten Studie als “Editors’ Suggestion” über eine Million Galaxien analysiert, um die Ursprünge der heutigen kosmischen Strukturen zu erforschen.

Bis heute haben präzise Beobachtungen und Analysen der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) und der großräumigen Struktur (LSS) zur Etablierung des Standard-Rahmenwerks des Universums geführt, dem sogenannten ΛCDM-Modell, in dem kalte Dunkle Materie (CDM) und dunkle Energie (die kosmologische Konstante, Λ) signifikante Merkmale sind.

Ein Bild aus Beobachtungen der großräumigen Struktur des Universums. Die zahlreichen Objekte, die in Gelb bis Rot dargestellt sind, stellen Galaxien dar, die sich Hunderte Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt befinden. Die Galaxien kommen in einer Vielzahl von Farben und Formen vor und sind in den Weiten des Raums zu zahlreich, um sie zu zählen. Die räumliche Verteilung und Muster der Formen dieser Galaxien sind nicht zufällig, sondern haben tatsächlich "Korrelationen", die auf statistischen Eigenschaften der primordialen Schwankungen basieren, wie sie von der Inflationstheorie vorhergesagt werden. Bildnachweis: Subaru HSC

Dieses Modell legt nahe, dass primordiale Schwankungen am Anfang des Universums oder im frühen Universum erzeugt wurden, die als Auslöser fungierten und zur Entstehung aller Dinge im Universum führten, einschließlich Sternen, Galaxien, Galaxienhaufen und ihrer räumlichen Verteilung im Raum. Obwohl sie bei der Entstehung sehr klein waren, nehmen die Schwankungen im Laufe der Zeit aufgrund der Gravitationskraft zu und bilden schließlich eine dichte Region aus Dunkler Materie oder einen Halo. Anschließend kollidieren und verschmelzen verschiedene Halos wiederholt miteinander und führen zur Bildung von Himmelsobjekten wie Galaxien.

Da die Natur der räumlichen Verteilung von Galaxien stark von der Natur der primordialen Schwankungen beeinflusst wird, die sie ursprünglich erzeugt haben, werden statistische Analysen der Verteilung von Galaxien aktiv durchgeführt, um die Natur der primordialen Schwankungen beobachtend zu erforschen. Zusätzlich dazu spiegelt das räumliche Muster der Formen von Galaxien, das sich über einen großen Bereich des Universums erstreckt, ebenfalls die Natur der zugrunde liegenden primordialen Schwankungen wider.

Jedoch hat sich die herkömmliche Analyse der großräumigen Struktur nur auf die räumliche Verteilung von Galaxien als Punkte konzentriert. In jüngerer Zeit haben Forscher begonnen, die Formen von Galaxien zu untersuchen, da dies nicht nur zusätzliche Informationen liefert, sondern auch eine andere Perspektive auf die Natur der primordialen Schwankungen bietet.

Visualisierung, wie die "unterschiedlichen" primordialen Schwankungen des Universums zu unterschiedlichen räumlichen Verteilungen von Dunkler Materie führen. Die Figur im Zentrum (gemeinsam für die oberen und unteren Reihen) zeigt die Schwankungen in der Referenz-Gaußverteilung. Die Farbabstufung (blau bis gelb) entspricht dem Wert der Schwankung an dieser Stelle (Regionen mit niedriger bis hoher Dichte). Die linken und rechten Abbildungen zeigen Schwankungen, die sich geringfügig von der Gaußverteilung abweichen oder nicht gaußförmig sind. Das in Klammern angegebene Vorzeichen gibt das Vorzeichen der Abweichung von der Gaußverteilung an, wobei eine negative (-) Abweichung links und eine positive (+) Abweichung rechts entspricht. Die obere Reihe ist ein Beispiel für isotrope Nichtlinearität. Im Vergleich zur zentralen Gauss-Schwankung zeigt die linke Abbildung eine Zunahme großer negativer (dunkelblauer) Regionen, während die rechte Abbildung eine Zunahme großer positiver (hellgelber) Regionen zeigt. Es ist bekannt, dass wir nach einer solchen isotropen Nichtlinearität in der räumlichen Verteilung beobachteter Galaxien suchen können. Das untere Panel zeigt ein Beispiel für anisotrope Nichtlinearität. Im Vergleich zum isotropen Fall im oberen Panel bleibt die Gesamthelligkeit und -dunkelheit gegenüber der Gauß-Schwankung im zentralen Panel unverändert, aber die Form jeder Region hat sich geändert. Wir können diese "anisotrope" Nichtlinearität aus dem räumlichen Muster der Galaxienformen herauslesen. Bildnachweis: Kurita & Takada

Ein Team von Forschern unter der Leitung des damaligen Doktoranden Toshiki Kurita vom Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) (derzeit ein Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astrophysik) und Professor Masahiro Takada vom Kavli IPMU hat eine Methode zur Messung des Leistungsspektrums von Galaxienformen entwickelt, die wichtige statistische Informationen aus den Mustern der Galaxienformen durch die Kombination der spektroskopischen Daten der räumlichen Verteilung von Galaxien und der Bildgebung der individuellen Galaxienformen extrahiert.

The researchers simultaneously analyzed the spatial distribution and shape pattern of approximately one million galaxies from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), the world’s largest survey of galaxies today.

As a result, they successfully constrained statistical properties of the primordial fluctuations that seeded the formation of the structure of the entire universe.

The blue dots and error bars are the values of the galaxy shape power spectrum. The vertical axis corresponds to the strength of correlation between two galaxy shapes, i.e., the alignment of the galaxy shape orientations. The horizontal axis represents the distance between two galaxies, with the left (right) axis representing the correlation between more distant (closer) galaxies. The gray dots indicate non-physical apparent correlations. The fact that this value is zero within error, as expected, confirms that the blue measured points are indeed astrophysically-origined signals. The black curve is the theoretical curve from the most standard inflationary model, and it is found to be in good agreement with the actual data points. Credit: Kurita & Takada

They found a statistically significant alignment of the orientations of two galaxies’ shapes more than 100 million light-years apart. Their result showed correlations exist between distant galaxies whose formation processes are apparently independent and causally unrelated.

“In this research, we were able to impose constraints on the properties of the primordial fluctuations through statistical analysis of the ‘shapes’ of numerous galaxies obtained from the large-scale structure data. There are few precedents for research that uses galaxy shapes to explore the physics of the early universe, and the research process, from the construction of the idea and development of analysis methods to the actual data analysis, was a series of trial and error. Because of that, I faced many challenges. But I am glad that I was able to accomplish them during my doctoral program. I believe that this achievement will be the first step to open up a new research field of cosmology using galaxy shapes,” said Kurita.

Furthermore, a detailed investigation of these correlations confirmed they are consistent with the correlations predicted by inflation, and do not exhibit a non-Gaussian feature of the primordial fluctuation.

“This research is the result of Toshiki’s doctoral dissertation. It’s a wonderful research achievement in which we developed a method to validate a cosmological model using galaxy shapes and galaxy distributions, applied it to data, and then tested the physics of inflation. It was a research topic that no one had ever done before, but he did all three steps: theory, measurement, and application. Congratulations! I am very proud of the fact that we were able to do all three steps. Unfortunately, I did not make the great discovery of detecting a new physics of inflation, but we have set a path for future research. We can expect to open up further areas of research using the Subaru Prime Focus Spectrograph,” said Takada.

The methods and results of this study will allow researchers in the future to further test inflation theory.