Et kig ind i vores universs natur, drevet af BAO'er

- Swetha Srinivasan

Guidet af Tafheem Ahmad Masudi og Sukant Khurana

Hvor stort er vores univers? Slutter det et eller andet sted? Vil det fortsætte for evigt?

Disse spørgsmål er blevet stillet af så mange mennesker, af så mange civilisationer gennem historien. Der er søgt svar på dem, og dette er nogle af de mest forvirrende, men alligevel interessante spørgsmål nogensinde.

Kredit: phys.org

Lad os antage, at universet er endeligt. Så, hvor ville vores hånd gå, hvis vi stikker den ud fra kanten? Dette blev overvejet af grækerne. De følte også, at et uendeligt univers var umuligt. Dette efterlod dem et paradoks.

I begyndelsen af ​​1800-tallet argumenterede Heinrich Oblers for, at universet ikke kan være uendeligt. Fordi, hvis vi skulle se op på himlen, og hvis det var uendeligt, så må der være en stjerne i vores synslinje. Selvom den tilsyneladende størrelse muligvis er lille, vil lysstyrken på den lille overflade stadig forblive en konstant. Hvis universet var fyldt med stjerner, skal nattehimmelen også være lyst. Da der er mørke pletter på nattehimmelen, skal universet være endeligt. Efter at have opdaget tyngdekraften vidste Newton, at det var en universel, attraktiv styrke. Hvis universet var endeligt, ville det være underlagt tyngdekraften og ville kollapse på sig selv.

Ifølge Einstein skal universet enten ekspanderes eller kontraheres. Hans ligninger krævede en sådan løsning. Han indsatte imidlertid en konstant kaldet den kosmologiske konstant, der annullerede virkningerne af tyngdekraften i stor skala. Han antog, at universet er statisk, hvilket til sidst blev hans største bommert.

Den store opdagelse

I 1929 gjorde Edwin Hubble en kritisk opdagelse. Han målte de relative afstande på galakser ved at måle lysstyrken for Cepheid-variable stjerner. Han målte også de røde skift fra disse galakser. De røde skift kontra afstand viste sig at være lineære. Rødskifterne steg lineært med afstanden. Den mulige forklaring var, at universet ekspanderer.

Astronomerne indså derefter, at hvis universet ekspanderer, må det have været mindre i fortiden, og i den tidligste tid, må det have været et lille sted. Dette forklarer Big Bang-teorien om universets udvikling (skyserver.sdss.org)

Kredit: LiveScience

Universets skæbne

Hele denne diskussion kræver en lille note om, hvad universets skæbne kan være. Der er tre mulige muligheder.

Hvis universets tæthed er større end en kritisk densitet, overtager tyngdekraften, ekspansion stopper, og universet kollapser på sig selv, hvad der populært kaldes Big Crunch. Et sådant univers er et lukket univers.

Hvis universets tæthed er nøjagtigt lig med den kritiske densitet, er universet dybest set fladt. Det udvides, men efter meget lang tid bliver ekspansionshastigheden nul.

Hvis densiteten er mindre end en kritisk densitet, udvides universet, det er et åbent univers. Dette kan resultere i en Big Rip.

Hvad driver denne udvidelse?

Der er ikke et sådant punkt kaldet universets centrum, hvorfra enhederne ekspanderer. Ting bevæger sig ikke væk fra centrum, men bevæger sig væk fra hinanden. Rummet udvides. Vi ser det ikke i vores solsystem eller mærkbart inden for vores galakse, fordi tyngdekraften over sådanne regioner er stærk nok. Men i en kosmologisk skala bevæger ting sig væk fra hinanden, og hastigheden, hvor ekspansion sker, er ikke konstant, men øges. Ting bevæger sig væk fra hinanden hurtigere og hurtigere.

Det meste af vores univers er mørk energi, og det siges, at denne mørke energi er det, der driver ekspansionen.

Kredit: SciTechDaily

Der har været mange nylige udviklinger til at afkode dette mystiske fænomen. Baryon Acoustic Oscillations-programmet og Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) har gjort store fremskridt.

Af BAO'er og kvasarer

Baryon Akustiske Oscillationer (BAO) er frosne relikvier, der er tilbage fra forudkoblingsuniverset. De er ideelle linealer til det 21. århundrede kosmologiske afstandsmåling. De angivne estimater er for første gang grundigt forankret i en velforstået, lineær fysik. (Bruce og Renee)

Det tidlige univers var sammensat af varmt, tæt plasma. Dette omfattede baryoner og elektroner. Baryoner er massive elementære partikler, der består af tre kvarker. Neutroner og protoner er baryoner (astro.ucla).

Da plasmaet var så tæt, kunne fotonerne ikke bevæge sig gennem rummet frit, da de blev udsat for Thomson-spredning, således blev fotonerne i det væsentlige koblet til det eksisterende stof.

Over tid afkøledes plasmaet og elektroner kombineres med protoner til dannelse af brint. Da fotoner interagerer mindre med neutral stof, var de nu i stand til at rejse frit. Rummet blev gennemsigtigt for fotoner. Fotonerne blev frakoblet.

Overvej nu en forstyrrelse, der har oprindelse i et tæt område med primærplasma, før afkoblingen skete. Dette indeholder mørkt stof, baryoner og fotoner. Plasmaet er ensartet undtagen for dette tætte område.

Højt tryk driver baryon-fotonvæsken udad med over halvdelen af ​​lysets hastighed. Det mørke stof interagerer kun gravitationsmæssigt, og danner således midten af ​​den bølgesfærregion, der tages i betragtning, mens baryoner og fotoner bevæger sig udad sammen sfærisk på grund af pres. Når afkoblingen sker, frigøres fotonerne fra baryonerne og undslipper den bevægende sfære og strømmer hurtigt ud. Baryonsfæren fastgøres i den afstand, den blæser fast efter at have mistet motivtrykket. Med ikke mere foton-baryon-interaktion er den eneste kraft, der er til stede, tyngdekraften af ​​det mørke stof, og som et resultat begynder baryonerne langsomt at blive trukket mod midten. En ligevægt etableres, og til sidst er der over tætte områder i både den ydre sfære og den indre kerne. Denne ydre skal kaldes lydhorisonten. Disse ses som anisotropier i CMB-strålingen (kosmisk mikrobølgebakgrundsstråling) og i den rumlige fordeling af galakser. Disse udsving har udviklet sig til nutidens vægge og hulrum i galakser, hvilket betyder, at denne baryon akustiske svingningsskala (BAO) er synlig blandt galakser i dag.

BAO-programmet involverer dybest set at finde en sporstof i massetæthedsfeltet og beregne dets 2-punkts funktion. Funktionerne i 2-punktsfunktionen svarer til lydhorisonten. Ved at kende den vinkel, denne afstand subbes, måler man d (z). Sammenligning med værdien ved z ~ 103 giver os mulighed for at begrænse udviklingen af ​​den mørke energi (astro.berkeley.edu)

Kredit: www.astro.ucla.edu

Ved hjælp af Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) har to teams fysikere forbedret forskernes forståelse af den mystiske mørke energi, der driver det accelererende univers.

Kvasarer bruges til dette formål. Kvasarer er astronomiske genstande med meget høj lysstyrke, der findes i centrum af nogle galakser og drives af gas, der spiraler med høj hastighed ind i et ekstremt stort sort hul. De lyseste kvasarer kan overskride alle stjernerne i de galakser, de befinder sig i, hvilket gør dem synlige selv på afstand af milliarder af lysår. Kvasarer er blandt de mest kendte og lysende genstande (Britannica).

Kredit: Populær mekanik

Supermassive sorte huller, der driver radiogalakser og kvasarer, spiller en fremtrædende rolle i udviklingen af ​​galakser. Kvasarerne er omgivet af støv. Lys, der forlader galakser, strømmer gennem det støv og afslører BAO'ernes aftryk.

Ved hjælp af disse data har astronomer skabt det mest nøjagtige kort endnu af galakser i det fjerne univers og tilbyder et vindue ind i fortiden og muligvis til mørk energi.

BOSS bruger et specialdesignet instrument kaldet en spektrograf på SDSS 2,5-meter teleskopet ved Apache Point Observatory i New Mexico. Projektet sigter mod at observere mere end en million galakser på seks år (space.com).

En illustration af begrebet akustiske baryon-svingninger, der er præget i det tidlige univers og stadig kan ses i dag i galakseundersøgelser som BOSS Credit: sgss3.org

Sammenligning af kraftspektret for SDSS-II LRG'er og BOSS DR9 CMASS-galakser. Solide linier viser de bedst egnede modeller. Kredit: Anderson et al. 2012

Disse akustiske baryon-svingninger er nu blevet målt i fordelingen af ​​galakser.

Ved anvendelse af den akustiske skala som en fysisk kalibreret lineal måles vinkeldiameterafstanden med en nøjagtighed på 1% ved rødskift z = 0,3 og z = 0,55. BOSS måler også fordelingen af ​​kvasarabsorptionslinjer og den kosmiske ekspansionshastighed H (z). Disse målinger giver krævende test for teorier om mørk energi og oprindelsen af ​​kosmisk acceleration. (Sdss3.org)

Således ser vi, at undersøgelse af BAO'er har banet en ny sti og en ny efterforskningsvej. De giver en bedre forståelse af, hvordan universet fungerer, dets art og opførsel. Dag for dag går vi langsomt men sikkert hen imod at afsløre (eller 'ununiversing') sandheden og vidunderlige hemmeligheder i universet.

Referencer

· Https://www.space.com/15101-dark-energy-distant-galaxy-map.html

· Http://www.sdss3.org/surveys/boss.php

· Https://www.space.com/26279-universe-expansion-measurement-quasars-boss.html

· Http://www.astro.ucla.edu/~wright/glossary.html#BAO

· Http://www.loc.gov/rr/scitech/mysteries/universe.html

· Https://edition.cnn.com/2014/04/08/tech/innovation/universe-expansion-astronomers/index.html

· Http://www.astro.ucla.edu/~wright/BAO-cosmology.html

· Http://skyserver.sdss.org/dr1/da/astro/universe/universe.asp

· Http://w.astro.berkeley.edu/~mwhite/bao/

· Https://www.britannica.com/science/quasar

· Journal of Astronomical History and Heritage, 17 (3), 267–282 (2014), Opdagelsen af ​​kvasarer og dets efterspørgsel, KI Kellermann

· Baryon Acoustic Oscillations, Bruce A. Bassett & Renee Hlozek, Dark Energy, Ed. P. Ruiz-Lapuente, 2010