De meest kale gebieden die bekend zijn, zijn de verafgelegen hoeken van de intergalactische ruimte. In deze enorme uitgestrektheden tussen de sterrenstelsels is er slechts één eenzaam atoom per kubieke meter - een diffuse waas van waterstofgas die is overgebleven van de oerknal. Op de grootste schalen, dit materiaal is gerangschikt in een enorm netwerk van draadvormige structuren dat bekend staat als het "kosmische web, " zijn verwarde strengen die miljarden lichtjaren overspannen en goed zijn voor de meerderheid van de atomen in het universum.

Nutsvoorzieningen, een team van astronomen, waaronder UC Santa Barbara-fysicus Joseph Hennawi, hebben de eerste metingen gedaan van kleinschalige rimpelingen in dit oerwaterstofgas met behulp van zeldzame dubbele quasars. Hoewel de gebieden van het kosmische web die ze bestudeerden bijna 11 miljard lichtjaar verwijderd zijn, ze waren in staat om variaties in de structuur te meten op schaal 100, 000 keer kleiner, vergelijkbaar met de grootte van een enkel sterrenstelsel. De resultaten verschijnen in het tijdschrift Wetenschap .

Intergalactisch gas is zo zwak dat het zelf geen licht uitstraalt. In plaats daarvan bestuderen astronomen het indirect door te observeren hoe het selectief het licht absorbeert dat afkomstig is van verre bronnen die bekend staan ​​als quasars. Quasars vormen een korte hyperlumineuze fase van de galactische levenscyclus, aangedreven door materie die in het centrale superzware zwarte gat van een melkwegstelsel valt. Handelend als kosmische vuurtorens, ze zijn helder, verre bakens waarmee astronomen intergalactische atomen kunnen bestuderen die zich tussen de locatie van de quasar en de aarde bevinden. Maar omdat deze hyperlumineuze episodes maar een klein deel van de levensduur van een melkwegstelsel duren, quasars zijn navenant zeldzaam en worden typisch door honderden miljoenen lichtjaren van elkaar gescheiden.

Om het kosmische web op veel kleinere lengteschalen te onderzoeken, de astronomen maakten gebruik van een toevallig kosmisch toeval:ze identificeerden buitengewoon zeldzame paren quasars en maten subtiele verschillen in de absorptie van intergalactische atomen langs de twee zichtlijnen.

"Paar quasars zijn als naalden in een hooiberg, " legde Hennawi uit, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde van de UCSB. Hennawi was een pionier in de toepassing van algoritmen van 'machine learning' - een merk van kunstmatige intelligentie - om quasar-paren efficiënt te lokaliseren in de enorme hoeveelheden gegevens die worden geproduceerd door digitale beeldonderzoeken van de nachtelijke hemel. "Om ze te vinden, we kamden door beelden van miljarden hemellichamen die miljoenen keren zwakker waren dan wat het blote oog kan zien."

Eenmaal geïdentificeerd, de quasarparen werden waargenomen met de grootste telescopen ter wereld, inclusief de 10-meter Keck-telescopen bij de W.M. Keck Observatorium op Mauna Kea, Hawaii, waarvan de University of California een van de oprichters is.

"Een van de grootste uitdagingen was het ontwikkelen van de wiskundige en statistische hulpmiddelen om de kleine verschillen te kwantificeren die we in dit nieuwe soort gegevens hebben gemeten, " zei hoofdauteur Alberto Rorai, Hennawi's voormalige Ph.D. student die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de universiteit van Cambridge. Rorai ontwikkelde deze tools als onderdeel van het onderzoek voor zijn doctoraat en paste ze toe op spectra van quasars met Hennawi en andere collega's.

De astronomen vergeleken hun metingen met supercomputermodellen die de vorming van kosmische structuren van de oerknal tot nu simuleren. Op een enkele laptop, deze complexe berekeningen zouden bijna 1, 000 jaar om te voltooien, maar dankzij moderne supercomputers konden de onderzoekers ze in slechts een paar weken uitvoeren.

"De input voor onze simulaties zijn de wetten van de fysica en de output is een kunstmatig universum, die direct kan worden vergeleken met astronomische gegevens, " zei co-auteur Jose Oñorbe, een postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck Instituut voor Sterrenkunde in Heidelberg, Duitsland, die de supercomputersimulatie-inspanning leidde. "Ik was verheugd om te zien dat deze nieuwe metingen overeenkomen met het gevestigde paradigma voor hoe kosmische structuren worden gevormd."

"Een reden waarom deze kleinschalige fluctuaties zo interessant zijn, is dat ze informatie coderen over de temperatuur van gas in het kosmische web slechts een paar miljard jaar na de oerknal, ’ legde Hennawi uit.

Astronomen geloven dat de materie in het heelal miljarden jaren geleden faseovergangen doormaakte, waardoor de temperatuur drastisch veranderde. Bekend als kosmische re-ionisatie, deze overgangen vonden plaats toen de collectieve ultraviolette gloed van alle sterren en quasars in het universum intens genoeg werd om elektronen van atomen in de intergalactische ruimte te strippen. Hoe en wanneer re-ionisatie plaatsvond, is een van de grootste open vragen op het gebied van kosmologie, en deze nieuwe metingen verschaffen belangrijke aanwijzingen die zullen helpen bij het vertellen van dit hoofdstuk van de kosmische geschiedenis.