Forskare driver för att förstå ursprunget till vårt universum är en av de mest övertygande som man känner till. Hur blev allt vi ser runt oss? Teologi och vetenskap gör båda försök att besvara denna fråga. Låt oss för den här artikeln utforska de vetenskapliga aspekterna och se hur vi kom till vår nuvarande förståelse av universum, den kosmiska webben.

Ursprung och geometrier

Big Bang är vetenskapens bästa teori om början av vårt universum. Det har så mycket komplexitet att en annan artikel skulle behövas för att förstå allt det innebär. Från Big Bang ser allt vi ser framåt, med materia som sakta samlas i stjärnor, galaxer och allt som finns i och utan dem. Enligt de flesta arbeten bör universum vara homozygot, eller att allt på stora skalor ska se lika ut. Varför skulle fysiken fungera annorlunda i separata regioner i universum?

Så föreställ dig alla överraskning när Robert Kirshner, Augustus Oemler, Paul Schechter och Stephen Schectman 1981 upptäckte en miljon kubik megaparsek (vilket innebär ungefär en kub med 326 mega ljusår (MLY) för varje sida) tom i rymden i riktning mot Bootes. Tja, när vi sade ogiltigt här påpekar vi den relativa bristen på något i det med bara 4% av det galaktiska innehållet som ett sådant utrymme borde ha. Hastighetsavläsningar från rödskiftdata indikerade att tomrummet rörde sig med en hastighet av 12 000 till 18 000 kilometer per sekund från oss, inte för chockerande i ett expanderande universum. Bakom tomrummet (som rör sig mindre än 9 000 kilometer per sekund från oss) är en gruppering av galaxer ungefär 440 MLYs bort och bortom tomrummet (som rör sig mer än 21 000 kilometer per sekund bort från oss) är en annan grupp av galaxer cirka 1 020 MLY. Det övergripande utseendet är att tomrummet är som en cell som är uthärdad ur rymden (Gott 71-2).

För Yakov Zeldovich var detta ingen överraskning. En sovjetisk astrofysiker som också arbetade med deras kärnkraftsprogram, han gjorde mycket arbete med de omständigheter som tvingade universum att växa och utvecklas. En speciell aspekt som han strävade efter var adiabatiska fluktuationer, eller när förändringar i värmestrålningens densitet motsvarade förändringar i materialets täthet som härrör från korrelationer i fotoner, elektroner, neutroner och protoner. Detta skulle vara sant om det fanns mer materia än antimateria strax efter Big Bang, om den termiska strålningen var dominerande på samma gång, och om båda uppstod från massivt partikelförfall. Konsekvenserna av detta skulle vara stor gruppering av material före de första galaxerna med en viss överskott av energitäthet närvarande känd som gravitation. Detta fick det ellipsoida materialet att plattas ut i vad som blev känt som Zeldovich-pannkakor eller "ytor med hög täthet bildad av gravitation" med en tjocklek som närmar sig noll (66-7).

Zeldovich tillsammans med Jaan Einasto och Sergei Shandarin fann att sådana förhållanden i stor skala skulle göra en Voronoi honungskaka. Som namnet antyder har det likheter med en bikupa, med massor av tomma utrymmen med slumpmässiga väggar alla anslutna. Hålrummen själva skulle separeras från varandra. Så varför ange du en Voronoi-sort? Det hänför sig till det geometriska fältet, där punkter tilldelas vara likvidistanta från godtyckliga centra och faller på plan som är vinkelräta mot linjen som förbinder centren och också halverar nämnda linje. Detta har effekten av att skapa oregelbunden polyhedral, och forskarnas arbete visade hur galaxer skulle ligga på de plan med större koncentrationer vid vertikorns toppar. Detta skulle innebära att bevis skulle visas som filament som tycks ansluta galaxer och stora tomrum, precis som den som finns i riktning mot Bootes (Gott 67-70, Einasto, Parks).

Zeldovich pannkakor. |

Vidare bevis

Men detta tomrum som hittades var inte den enda ledtråden om att kanske Zeldovich-pannkakorna och Voronoi-honungskakor var en verklighet. Virgo Supercluster befanns ha en platt geometri som en pannkaka enligt Gerard de Vaucouleurs arbete. Observationer av Francis Brown från 1938 till 1968 tittade på galaktiska justeringar och fann icke-slumpmässiga mönster för dem. En uppföljning '68 av Sustry visade att galaxorienteringar inte var slumpmässiga men att elliptiska galaxer var i samma plan som klustret de tillhörde. Ett papper från Jaan Ernasto, Michkel Joeveer och Enn Saar från 1980 tittade på rödförskjutningsdata från dammet kring galaxer och fann att "raka kedjor av galaxkluster" sågs. De avslöjade också hur ”flygplan som ansluter sig till angränsande kedjor också befolkas av galaxer.” Allt detta upphetsade Zeldovich och han förföljde dessa ledtrådarna vidare. I ett papper från 1982 med Ernasto och Shandarin tog Zeldovich ytterligare rödskiftdata och planerade olika grupperingar av galaxer i universum. Kartläggningen visade många tomma utrymmen i universum med till synes högre koncentrationer av galaxer som bildar väggar till tomrummen. I genomsnitt var varje tomrum 487 MLY med 487 MLY med 24 MLY i volym. Pisces-Cetus Supercluster Complex analyserades också i slutet av 1980-talet och visade sig ha filamentstrukturering till det (Gott 71-2, West, Parks).

En annan bevisning tillhandahölls genom datorsimuleringar. Då växte datorkraften snabbt och forskare fann applikationerna i modellering av komplexa scenarier med dem för att extrapolera hur teorier faktiskt spelade ut. 1983 driver AA Klypin och SF Shandarin sina egna, med vissa villkor. De använder en 778 MLY 3 kub med 32 768 partiklar som hade densitetsförändringar i enlighet med adiabatiska fluktuationer. Deras simulering fann att storskalig "klumpighet" sågs men liten skalning av strukturerna sågs inte, med svängningar mindre än en våglängd på 195 MLY vilket resulterade i mekaniken som Zeldovich förutspådde. Det vill säga pannkakorna bildades och nätverkades sedan med varandra och bildade trådar som förbinder dem fyllda med kluster (Gott 73-5).

Simulering drivs av Adrian Melott vid University of Kansas. Den visar en hypotetisk fördelning av galaxer i universum. |

Ytterligare bevis för den växande strukturen i universum kom från tvärsnitt av 6 grader vardera tagna av himlen 1986. Med hjälp av Hubble-lagen för recessionshastigheter hittades ett längsta avstånd på 730 mega ljusår i varje sektion, som hade filament, tomrum och grenar som överensstämde med Zeldovichs modell. Kanten på dessa funktioner var krökta kring geometrier ungefär de Richard J. Gott, som under sina gymnasialdagar upptäckte en ny klass av polyhedral. Han började med "skiktning av polyedra" med hjälp av trunkerade oktaeder. Om du staplar dem så att de trunkerade delarna passar in i varandra, hamnar du med en kropps-centrerad kubisk matris som, som det visar sig, har vissa tillämpningar i röntgenstråldiffraktion av metalliskt natrium. Andra former var möjliga att använda förutom oktaedronerna. Om man anslutit sig till 4 trunkerade hexahedrons på rätt sätt kan man få en sadelformad yta (det vill säga en negativ krökning där graden av en triangel som vilar på den skulle uppgå till mindre än 180) (106-8, 137 -9).

Man kan också få en positiv krökningsyta även via approximationer av polyhedral. Ta till exempel en sfär. Vi kan välja många approximationer för det, till exempel en kub. Med tre rätvinklar som möts vid ett givet hörn får vi ett mått på 270, 90 mindre än vad som behövs för att ha ett plan. Man kan föreställa sig att välja mer komplexa former för att ungefärliga sfären, men det borde vara tydligt att vi aldrig kommer att nå det 360 som behövs. Men de hexahedronsna från tidigare har ett 120-graders hörn för var och en, vilket innebär att vinkelmåttet för det specifika toppunktet är 480. Trenden är uppenbar nu, förhoppningsvis. Positiv krökning kommer att resultera i ett toppunkt med mindre än 360 men negativ krökning kommer att vara mer än 360 (109-110).

Men vad händer när vi ligger tillsammans med båda dessa samtidigt? Gott fann att om du tar bort de fyrkantiga ansiktena från de trunkerade oktaedrarna, får du ungefär sexkantiga toppar, vilket resulterar i vad han beskrev som en "hålig, svampig yta" som visade bilateral symmetri (ungefär som ditt ansikte gör). Gott hade avslöjat en ny klass av polyhedral på grund av de öppna ytorna men med obegränsad stapling. De var inte vanliga polyedra på grund av dessa öppningar och inte heller var de vanliga plana nät på grund av de oändliga staplingsfunktionerna. Istället hade Götes skapelse särdrag av båda och så kallade han dem pseudopolyhedra (110-5).

En av flera pseudopolyhedroner möjliga. |

Hur det hela kommer ner till (nära) början

Anledningen till att denna nya form av form är relevant för universums struktur kommer från många ledtrådar som forskare har kunnat lysa. Observationer av galaktiska fördelningar gjorde att deras justeringar liknade de pseudopolyhedra vertikalerna. Datorsimuleringar med känd inflationsteori och densitet för energi och materia visar att svamparna från den nya geometrien spelar in. Detta berodde på att områden med hög täthet slutade expandera och kollapsade, och sedan samlades ihop medan låg densitet spriddes ut, vilket skapade de sammankomster och tomrum som forskarna ser på Cosmic Web. Vi kan tänka på den strukturen som att följa pseudopolyhedra i dess övergripande mönster och kanske extrapolera några okända funktioner i universum (116-8).

Nu vet vi att dessa fluktuationer involverade fotoner, neutroner, elektroner och protoner hjälpte till att leda till dessa strukturer. Men vad var drivkraften bakom nämnda fluktuationer? Det är vår gamla väninflation, den kosmologiska teorin som förklarar många av de universums egenskaper vi ser. Det gjorde det möjligt för bitar av universum att falla ut ur kausal kontakt när utrymmet expanderade med en mycket accelererad hastighet och sedan bromsades upp när energitätheten som drivde inflationen motverkades av tyngdkraften. Vid den tiden applicerades energitätheten för varje givet ögonblick i xyz-riktningar, så varje given axel upplevde 1/3 av energitätheten vid tiden, och en del av detta var termisk strålning eller fotonisk rörelse och kollisioner. Värme hjälpte till att driva utbyggnaden av universum. Och deras rörelse var begränsad till det utrymme som tillhandahölls dem, så regioner som inte var tillfälligt anslutna till detta kände inte ens dess effekter tills avslappnade förbindelser återupprättades. Men minns att jag nämnde tidigare i den här artikeln hur universum är ganska homogent. Om olika platser i universum upplever termisk konditionering i olika hastigheter, hur uppnådde universum termisk jämvikt? Hur vet vi att det gjorde det? (79-84)

Vi kan berätta på grund av den kosmiska mikrovågsbakgrunden, en relik från när universum var 380 000 år gammalt och fotoner var fria att resa utrymme obehindrat. Över hela denna rest finner vi att temperaturen på det skiftade ljuset är 2, 725 K med bara ett 10 miljonste graderingsfel möjligt. Det är ganska enhetligt, till den punkt där de värmefluktuationer vi förväntade oss inte borde ha hänt och så modellen av pannkakorna som Zeldovich borde inte ha hänt. Men han var smart och hittade en lösning för att matcha de uppgifter som sågs. Eftersom olika delar av universum återupprättade tillfällig kontakt, var deras temperaturförändringar inom 100 miljoner per grad och det beloppet över / under skulle kunna räcka för att redovisa de modeller vi ser. Detta skulle bli känt som Harrison-Zeldovich-skalan-invariant spektrum, för det visade att storleken på förändringarna inte skulle förhindra de fluktuationer som krävs för galaktisk tillväxt (84-5).

Citerade verk

Einasto, Jaan. Yakov Zeldovich and the Cosmic Web Paradigm. arXiv: 1410.6932v1.

Gott, J., Richard. The Cosmic Web. Princeton University Press, New Jersey. 2016. 67-75, 79-85, 106-118, 137-9.

Parker, Jake. "I utkanten av universum." Astronomi. 2019. Skriv ut. 52.

Väst, Michael. Varför anpassas galaxerna? Astronomi maj 2018. Skriv ut. 48, 50-1.