Крупномасштабная структура Вселенной относится к глобальной модели распределения галактик и скоплений галактик в пространстве. Эта космическая сеть образовалась из крошечных неоднородностей в распределении материи в ранней Вселенной, которые были усилены гравитационным притяжением. «По мере развития Вселенной гравитация объединяет темную материю и газ в космосе в галактики и скопления галактик», – сказал И-Куан Чан, ведущий автор исследования и научный сотрудник Центра космологии и AstroParticle Университета штата Огайо. Физика. "Сопротивление сильное – настолько сильное, что все больше и больше газа выбрасывается и нагревается."
Затем этот нагретый газ можно использовать для измерения средней температуры Вселенной за космическое время. В частности, исследователи использовали так называемый эффект «Сюняева-Зельдовича», названный в честь Рашида Сюняева, заслуженного директора Института астрофизики Макса Планка, и советского физика Якова Зельдовича, который первым теоретически предсказал это явление. Этот эффект возникает, когда низкоэнергетические фотоны космического микроволнового фонового излучения рассеиваются горячими электронами в крупномасштабной структуре Вселенной. Рассеяние передает энергию от электронов к фотонам, делая видимым горячий электронный газ.
Интенсивность эффекта Сюняева-Зельдовича пропорциональна тепловому давлению газа, которое, в свою очередь, пропорционально температуре электронов.
Хотя это измерение в принципе несложно, сбор необходимых данных был серьезной задачей. Исследование, опубликованное в Astrophysical Journal, было проведено в сотрудничестве с исследователями из ИПМУ Кавли, Университета штата Огайо, Университета Джона Хопкинса и Института астрофизики Макса Планка.
Исследователи использовали данные, собранные двумя обсерваториями, спутником Planck и Sloan Digital Sky Survey (SDSS).
Planck – миссия Европейского космического агентства, которая измеряла космическое микроволновое фоновое излучение. SDSS собрал подробные изображения и световые спектры галактик. Объединив два набора данных, ученые смогли измерить количество теплового давления вокруг местоположений галактик и скоплений галактик.
«Астрономам потребовалось более 15 лет, чтобы собрать необходимые данные с помощью телескопа на земле и одного телескопа в космосе», – сказал Брайс Менар, проводивший анализ вместе с Чиангом.
Менар, который был приглашенным ученым в ИПМУ Кавли с 2011 года, добавил: «Что касается анализа, наша команда потратила четыре года на разработку алгоритмов, необходимых для извлечения сигнала из этих данных."
Более того, для интерпретации данных требовалась физическая модель, которую предоставил Рю Макия, научный сотрудник ИПМУ Кавли. «Объединив последние данные с современной теоретической моделью, мы смогли выявить, как эволюционировала температура Вселенной и как это было связано с формированием крупномасштабной структуры Вселенной», – сказал Макия. «Следующая цель – разобраться в деталях физики тепловых и нетепловых явлений."
Чан из Университета штата Огайо добавил: «Наше новое измерение является прямым подтверждением основополагающей работы Джима Пиблза, лауреата Нобелевской премии 2019 года по физике, который изложил теорию возникновения крупномасштабной структуры Вселенная."
Исследование показало, что около восьми миллиардов лет назад (при красном смещении z = 1) средняя температура электронов составляла около 700000 Кельвинов, а сегодня повысилась примерно до двух миллионов Кельвинов.
Кроме того, ученые определили, что его эволюция почти полностью обусловлена ростом структур, так как газ нагревается ударной волной в разрушающихся крупномасштабных структурах.
Еще в 2000 году Эйитиро Комацу, главный исследователь в ИПМУ Кавли и директор отдела физической космологии в Институте астрофизики Макса Планка, также принимал участие в предыдущей попытке вычислить, как эволюционировала температура Вселенной. «В течение 20 лет мы изучали, как это измерить, используя эффект Сюняева-Зельдовича», – вспоминал он. «Теперь мы наконец-то измерили температуру Вселенной не только благодаря значительному прогрессу в данных наблюдений, но и благодаря самоотверженным усилиям блестящих молодых ученых, таких как И-Куан Чан и Рю Макия.
Это очень приятно », – добавил Komatsu.