Het universum zit vol met miljarden sterrenstelsels, maar hun verdeling over de ruimte is verre van uniform. Waarom zien we tegenwoordig zoveel structuur in het universum en hoe is het allemaal ontstaan ​​en gegroeid?

Een 10-jarig onderzoek van tienduizenden sterrenstelsels gemaakt met behulp van de Magellan Baade-telescoop van Carnegie's Las Campanas Observatorium in Chili, bood een nieuwe benadering om dit fundamentele mysterie te beantwoorden. De resultaten, onder leiding van Carnegie's Daniel Kelson, zijn gepubliceerd in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .

"Hoe beschrijf je het onbeschrijfelijke?" vraagt ​​Kelson. "Door een geheel nieuwe benadering van het probleem te hanteren."

"Onze tactiek biedt nieuwe - en intuïtieve - inzichten in hoe de zwaartekracht de groei van structuur vanaf de vroegste tijden van het universum aandreef, " zei co-auteur Andrew Benson. "Dit is een directe, op observatie gebaseerde test van een van de pijlers van de kosmologie."

De Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift Survey is ontworpen om de relatie tussen de groei van sterrenstelsels en de omgeving in de afgelopen 9 miljard jaar te bestuderen, toen het uiterlijk van moderne sterrenstelsels werd gedefinieerd.

De eerste sterrenstelsels werden een paar honderd miljoen jaar na de oerknal gevormd, die het universum begon als een heet, troebele soep van extreem energieke deeltjes. Toen dit materiaal vanaf de eerste explosie naar buiten uitbreidde, het koelde af, en de deeltjes vloeiden samen tot neutraal waterstofgas. Sommige plekken waren dichter dan andere en, eventueel, hun zwaartekracht overwon de buitenwaartse baan van het universum en het materiaal stortte naar binnen in, vormen de eerste klompjes structuur in de kosmos.

De dichtheidsverschillen die het mogelijk maakten om op sommige plaatsen zowel grote als kleine structuren te vormen en op andere niet, zijn al lang een onderwerp van fascinatie. Maar tot nu toe, Het vermogen van astronomen om te modelleren hoe de structuur in het universum in de afgelopen 13 miljard jaar groeide, had te maken met wiskundige beperkingen.

"De zwaartekrachtinteracties die plaatsvinden tussen alle deeltjes in het universum zijn te complex om met eenvoudige wiskunde te verklaren, ' zei Benson.

Dus, astronomen gebruikten ofwel wiskundige benaderingen - die de nauwkeurigheid van hun modellen in gevaar brachten - of grote computersimulaties die alle interacties tussen sterrenstelsels numeriek modelleren, maar niet alle interacties tussen alle deeltjes, die als te ingewikkeld werd beschouwd.

"Een belangrijk doel van ons onderzoek was om de massa te tellen die aanwezig is in sterren die worden gevonden in een enorme selectie van verre sterrenstelsels en deze informatie vervolgens te gebruiken om een ​​nieuwe benadering te formuleren om te begrijpen hoe de structuur in het universum is gevormd, ' legde Kelson uit.

Het onderzoeksteam, waaronder ook Louis Abramson van Carnegie, Shannon Patel, Stephen Shectman, Alan Dressler, Patrick McCarthy, en John S. Mulchaey, evenals Rik Williams, nu van Uber Technologies - voor het eerst aangetoond dat de groei van individuele proto-structuren kan worden berekend en vervolgens over de hele ruimte kan worden gemiddeld.

Hierdoor bleek dat dichtere klonten sneller groeiden, en minder dichte bosjes groeiden langzamer.

Ze waren vervolgens in staat om achteruit te werken en de oorspronkelijke verdelingen en groeisnelheden van de fluctuaties in dichtheid te bepalen, die uiteindelijk de grootschalige structuren zouden worden die de verspreiding van sterrenstelsels die we vandaag zien, bepaalden.

In essentie, hun werk bood een eenvoudige, maar nauwkeurig, beschrijving van waarom en hoe dichtheidsfluctuaties groeien zoals ze in het echte universum gebeuren, evenals in het op berekeningen gebaseerde werk dat ons begrip van de kinderschoenen van het universum ondersteunt.

"En het is zo simpel, met een echte elegantie, ’ voegde Kelson eraan toe.

De bevindingen zouden niet mogelijk zijn geweest zonder de toewijzing van een buitengewoon aantal observatienachten in Las Campanas.

"Veel instellingen zouden niet in staat zijn geweest om een ​​project van deze omvang alleen op zich te nemen, " zei John Mulchaey, directeur van de observatoria. "Maar dankzij onze Magellan-telescopen, we waren in staat om dit onderzoek uit te voeren en deze nieuwe benadering te creëren voor het beantwoorden van een klassieke vraag."

"Hoewel er geen twijfel over bestaat dat dit project de middelen vereiste van een instelling als Carnegie, ons werk had ook niet kunnen plaatsvinden zonder het enorme aantal extra infraroodbeelden dat we bij Kit Peak en Cerro Tololo konden verkrijgen, die beide deel uitmaken van het National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory van de NSF, ', voegde Kelson eraan toe.