Leere (Astronomie) - Void (astronomy)

Materieverteilung in einem kubischen Abschnitt des Universums. Die blauen Faserstrukturen repräsentieren die Materie (hauptsächlich dunkle Materie) und die leeren Bereiche dazwischen repräsentieren die kosmischen Leerstellen.

Kosmische Leerräume sind riesige Räume zwischen Filamenten (die größten Strukturen im Universum ), die nur sehr wenige oder keine Galaxien enthalten . Die kosmologische Entwicklung der leeren Regionen unterscheidet sich drastisch von der Entwicklung des Universums als Ganzes: Es gibt eine lange Phase, in der der Krümmungsterm dominiert, was die Bildung von Galaxienhaufen und massereichen Galaxien verhindert. Obwohl selbst die leersten Regionen von Hohlräumen mehr als ~15% der durchschnittlichen Materiedichte des Universums enthalten, sehen die Hohlräume für einen Beobachter fast leer aus. Hohlräume haben typischerweise einen Durchmesser von 10 bis 100 Megaparsec (30 bis 300 Millionen Lichtjahre ); besonders große Hohlräume, die durch das Fehlen von reichen Superclustern definiert werden , werden manchmal als Superhohlräume bezeichnet . Sie wurden erstmals 1978 in einer bahnbrechenden Studie von Stephen Gregory und Laird A. Thompson am Kitt Peak National Observatory entdeckt .

Es wird angenommen , dass Hohlräume durch baryonische akustische Oszillationen im Urknall entstanden sind , Massenkollaps gefolgt von Implosionen der komprimierten baryonischen Materie . Ausgehend von anfänglich kleinen Anisotropien aus Quantenfluktuationen im frühen Universum wurden die Anisotropien im Laufe der Zeit immer größer. Regionen mit höherer Dichte kollabierten unter der Schwerkraft schneller, was schließlich zu der großflächigen, schaumartigen Struktur oder dem "kosmischen Netz" aus Hohlräumen und Galaxienfilamenten führte, die man heute sieht. Hohlräume in Umgebungen mit hoher Dichte sind kleiner als Hohlräume in Räumen mit geringer Dichte des Universums.

Leerstellen scheinen aufgrund des Sachs-Wolfe-Effekts mit der beobachteten Temperatur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) zu korrelieren . Kältere Regionen korrelieren mit Hohlräumen und heißere Regionen korrelieren mit Filamenten aufgrund der gravitativen Rotverschiebung . Da der Sachs-Wolfe-Effekt nur dann von Bedeutung ist, wenn das Universum von Strahlung oder dunkler Energie dominiert wird , ist die Existenz von Leerräumen von Bedeutung, um physikalische Beweise für dunkle Energie zu liefern.

Großflächige Struktur

Eine Karte von Galaxienhohlräumen

Die Struktur des Universums lässt sich in Komponenten zerlegen, die helfen können, die Eigenschaften einzelner Regionen des Kosmos zu beschreiben. Dies sind die wichtigsten strukturellen Komponenten des kosmischen Netzes:

Voids – riesige, weitgehend kugelförmige Regionen mit sehr niedriger kosmischer mittlerer Dichte, bis zu 100 Megaparsec (Mpc) im Durchmesser.
Wände – die Regionen, die die typische kosmische mittlere Dichte der Materiefülle enthalten. Wände können weiter in zwei kleinere Strukturmerkmale unterteilt werden:
- Cluster – hochkonzentrierte Zonen, in denen sich Wände treffen und kreuzen, wodurch die effektive Größe der lokalen Wand erhöht wird.
- Filamente – die verzweigten Arme von Wänden, die sich über Dutzende von Megaparsec erstrecken können.

Leere haben eine mittlere Dichte von weniger als einem Zehntel der durchschnittlichen Dichte des Universums. Dies dient als Arbeitsdefinition, auch wenn es keine einheitliche Definition dafür gibt, was eine Leere ist. Der zur Beschreibung der kosmischen mittleren Dichte verwendete Materiedichtewert basiert normalerweise auf einem Verhältnis der Anzahl von Galaxien pro Volumeneinheit und nicht auf der Gesamtmasse der in einer Volumeneinheit enthaltenen Materie.

Entdeckung

Die Erforschung kosmischer Hohlräume innerhalb der Disziplin Astrophysik begann Mitte der 1970er Jahre, als Rotverschiebungsstudien 1978 zwei getrennte Astrophysikerteams dazu führten, Superhaufen und Hohlräume in der Verteilung von Galaxien und Abell-Clustern zu identifizieren . Die neuen Rotverschiebungs-Durchmusterungen revolutionierten die Astronomie, indem sie den zweidimensionalen Karten der kosmologischen Struktur, die oft dicht gepackt waren und sich überlappten, Tiefe verliehen, was die erste dreidimensionale Kartierung des Universums ermöglichte. Durch Rotverschiebungsdurchmusterungen wurde deren Tiefe aus den einzelnen Rotverschiebungen der Galaxien aufgrund der Expansion des Universums nach dem Hubble-Gesetz berechnet .

Zeitleiste

Eine zusammengefasste Zeitleiste wichtiger Ereignisse im Bereich der kosmischen Leere von ihren Anfängen bis in die jüngste Zeit lautet wie folgt:

1961 – Großräumige Strukturmerkmale wie "Cluster zweiter Ordnung", eine spezielle Art von Superhaufen , wurden der astronomischen Gemeinschaft bekannt.
1978 – Die ersten beiden Arbeiten zum Thema Hohlräume in der großräumigen Struktur wurden veröffentlicht, die sich auf Hohlräume beziehen, die im Vordergrund der Coma/A1367-Cluster gefunden wurden.
1981 – Entdeckung einer großen Leere in der Boötes- Region des Himmels mit einem Durchmesser von fast 50 h ⁻¹ Mpc (der später auf etwa 34 h ⁻¹ Mpc umgerechnet wurde). Hier ist h der dimensionslose Hubble-Parameter , ungefähr 0,7.
1983 – Computersimulationen, die ausgereift genug sind, um relativ zuverlässige Ergebnisse des Wachstums und der Entwicklung der großräumigen Struktur zu liefern, wurden aufgetaucht und lieferten Einblicke in die Schlüsselmerkmale der großräumigen Galaxienverteilung.
1985 – Details der Superhaufen- und Leerenstruktur der Perseus-Fische-Region wurden vermessen.
1989 – Der Redshift Survey des Center for Astrophysics ergab, dass große Hohlräume, scharfe Filamente und die sie umgebenden Wände die großräumige Struktur des Universums dominieren.
1991 – Der Las Campanas Redshift Survey bestätigte die Fülle von Hohlräumen in der großräumigen Struktur des Universums (Kirshner et al. 1991).
1995 – Vergleiche von optisch ausgewählten Galaxiendurchmusterungen zeigen, dass unabhängig von der Probenauswahl die gleichen Hohlräume gefunden werden.
2001 – Die abgeschlossene zweistufige Feldgalaxie-Rotverschiebungsuntersuchung fügt der Datenbank aller bekannten kosmischen Leerstellen eine beträchtlich große Menge an Leerstellen hinzu.
2009 – Die Daten des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) in Kombination mit früheren groß angelegten Vermessungen bieten jetzt die umfassendste Ansicht der detaillierten Struktur kosmischer Hohlräume.

Methoden zum Finden

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, mit den Ergebnissen groß angelegter Vermessungen des Universums Leerstellen zu finden. Von den vielen verschiedenen Algorithmen fallen praktisch alle in eine von drei allgemeinen Kategorien. Die erste Klasse besteht aus Void-Findern, die versuchen, leere Raumregionen basierend auf der lokalen Galaxiendichte zu finden. Die zweite Klasse sind solche, die versuchen, über die geometrischen Strukturen in der Verteilung der Dunklen Materie, wie sie von den Galaxien suggeriert wird, Leerstellen zu finden. Die dritte Klasse bilden diejenigen Finder, die Strukturen dynamisch identifizieren, indem sie gravitativ instabile Punkte in der Verteilung der Dunklen Materie verwenden. Die drei beliebtesten Methoden zur Untersuchung kosmischer Hohlräume sind im Folgenden aufgeführt:

VoidFinder-Algorithmus

Diese erstklassige Methode verwendet jede Galaxie in einem Katalog als Ziel und berechnet dann mit der Nearest Neighbor Approximation die kosmische Dichte in der Region, die in einem Kugelradius enthalten ist, der durch die Entfernung zur drittnächsten Galaxie bestimmt wird. El Ad & Piran führten diese Methode 1997 ein, um eine schnelle und effektive Methode zur Standardisierung der Katalogisierung von Hohlräumen zu ermöglichen. Sobald die kugelförmigen Zellen aus allen Strukturdaten extrahiert wurden, wird jede Zelle erweitert, bis die Unterdichte zu den durchschnittlichen erwarteten Wanddichtewerten zurückkehrt. Eine der hilfreichen Eigenschaften von leeren Regionen ist, dass ihre Grenzen sehr deutlich und definiert sind, mit einer kosmischen mittleren Dichte, die bei 10 % im Körper beginnt und schnell auf 20 % am Rand und dann auf 100 % in den Wänden direkt außerhalb ansteigt die Kanten. Die verbleibenden Wände und überlappenden Hohlraumbereiche werden dann jeweils in verschiedene und ineinander verschlungene Zonen von Filamenten, Clustern und nahezu leeren Hohlräumen gerastert. Jede Überlappung von mehr als 10 % mit bereits bekannten Hohlräumen wird als Unterregion innerhalb dieser bekannten Hohlräume betrachtet. Alle in den Katalog zugelassenen Hohlräume hatten einen Mindestradius von 10 Mpc, um sicherzustellen, dass alle identifizierten Hohlräume nicht versehentlich aufgrund von Stichprobenfehlern katalogisiert wurden.

Zone, die an Leerheit grenzt (ZOBOV) Algorithmus

Dieser spezielle Algorithmus zweiter Klasse verwendet eine Voronoi-Tessellationstechnik und simulierte Grenzpartikel, um Regionen basierend auf einer hochdichten kontrastierenden Grenze mit einem sehr geringen Bias zu kategorisieren. Neyrinck führte diesen Algorithmus 2008 mit dem Ziel ein, eine Methode einzuführen, die keine freien Parameter oder vermuteten Form-Tessellationen enthält. Daher kann diese Technik genauer geformte und bemessene Leerbereiche erzeugen. Obwohl dieser Algorithmus einige Vorteile in Form und Größe hat, wurde er oft dafür kritisiert, dass er manchmal lose definierte Ergebnisse liefert. Da er keine freien Parameter hat, findet er meist kleine und triviale Leerstellen, obwohl der Algorithmus jeder gefundenen Leerstelle eine statistische Signifikanz zuordnet. Ein physikalischer Signifikanzparameter kann angewendet werden, um die Anzahl trivialer Hohlräume zu reduzieren, indem ein Verhältnis von minimaler Dichte zu durchschnittlicher Dichte von mindestens 1:5 aufgenommen wird. Auch Subvoids werden mithilfe dieses Prozesses identifiziert, was mehr philosophische Fragen darüber aufwirft, was als Leere zu qualifizieren ist. Void-Finder wie VIDE basieren auf ZOBOV.

Algorithmus der dynamischen Voidanalyse (DIVA)

Diese Methode der dritten Klasse unterscheidet sich drastisch von den beiden zuvor aufgeführten Algorithmen. Der auffallendste Aspekt ist, dass es eine andere Definition dessen erfordert, was es bedeutet, eine Leere zu sein. Anstelle der allgemeinen Vorstellung, dass eine Leere eine Raumregion mit einer geringen kosmischen mittleren Dichte ist; ein Loch in der Verteilung von Galaxien, es definiert Leerräume als Bereiche, in denen Materie entweicht; was der Zustandsgleichung der dunklen Energie w entspricht . Void Mittelstücke werden dann als die maximale Quelle des Verschiebungsfeld als bezeichnet sein S _ψ . Der Zweck dieser Definitionsänderung wurde 2009 von Lavaux und Wandelt vorgestellt, um kosmische Hohlräume so zu erhalten, dass genaue analytische Berechnungen zu ihren dynamischen und geometrischen Eigenschaften durchgeführt werden können. Dies ermöglicht DIVA, die Elliptizität von Hohlräumen und ihre Entwicklung in der großräumigen Struktur intensiv zu untersuchen , was anschließend zur Klassifizierung von drei verschiedenen Arten von Hohlräumen führt. Diese drei morphologischen Klassen sind echte Hohlräume, Pfannkuchenhohlräume und Filamenthohlräume. Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft ist, dass DIVA zwar ebenso wie erstklassige Methoden auch einen Selektionsfunktions-Bias enthält, DIVA jedoch so konzipiert ist, dass dieser Bias präzise kalibriert werden kann, was zu viel zuverlässigeren Ergebnissen führt. Dieser hybride Lagrange-Euler-Ansatz weist mehrere Mängel auf. Ein Beispiel ist, dass sich die resultierenden Hohlräume dieses Verfahrens grundsätzlich von denen anderer Verfahren unterscheiden, was einen alle Datenpunkte umfassenden Vergleich zwischen Ergebnissen unterschiedlicher Algorithmen sehr schwierig macht.

Bedeutung

Voids haben wesentlich zum modernen Verständnis des Kosmos beigetragen, mit Anwendungen, die von der Aufklärung des aktuellen Verständnisses der dunklen Energie bis hin zur Verfeinerung und Einschränkung kosmologischer Evolutionsmodelle reichen . Einige beliebte Anwendungen werden unten im Detail erwähnt.

Dunkle Energie

Die gleichzeitige Existenz der größten bekannten Hohlräume und Galaxienhaufen erfordert heute etwa 70 % dunkle Energie im Universum, was mit den neuesten Daten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds übereinstimmt. Leerstellen wirken wie Blasen im Universum, die empfindlich auf kosmologische Hintergrundveränderungen reagieren. Dies bedeutet, dass die Entwicklung der Form einer Leere zum Teil das Ergebnis der Expansion des Universums ist. Da angenommen wird, dass diese Beschleunigung durch dunkle Energie verursacht wird, kann die Untersuchung der Veränderungen der Form eines Hohlraums über einen bestimmten Zeitraum verwendet werden, um das Standard- Λ CDM- Modell einzuschränken oder das Quintessence + Cold Dark Matter ( QCDM )-Modell weiter zu verfeinern und bereitzustellen eine genauere Zustandsgleichung der dunklen Energie . Darüber hinaus ist die Fülle an Hohlräumen ein vielversprechender Weg, um die Zustandsgleichung der dunklen Energie einzuschränken.

Neutrinos

Neutrinos strömen aufgrund ihrer sehr kleinen Masse und extrem schwachen Wechselwirkung mit anderer Materie frei in und aus Hohlräumen, die kleiner als die mittlere freie Weglänge von Neutrinos sind. Dies hat Auswirkungen auf die Größen- und Tiefenverteilung von Hohlräumen und soll es bei zukünftigen astronomischen Vermessungen (z theoretische Vorhersagen.

Galaktische Entstehungs- und Evolutionsmodelle

Ein 43×43×43-Megaparsec-Würfel zeigt die Entwicklung der großräumigen Struktur über einen logarithmischen Zeitraum, beginnend bei einer Rotverschiebung von 30 und endend bei Rotverschiebung 0. Das Modell macht deutlich, wie sich die materiedichten Regionen unter dem zusammenziehen kollektive Gravitationskraft, während gleichzeitig die Ausdehnung der kosmischen Leerräume unterstützt wird, während die Materie zu den Wänden und Filamenten flieht.

Kosmische Leerräume enthalten eine Mischung aus Galaxien und Materie, die sich leicht von anderen Regionen des Universums unterscheidet. Diese einzigartige Mischung unterstützt das verzerrte Bild der Galaxienentstehung, das in Gaußschen adiabatischen Modellen für kalte dunkle Materie vorhergesagt wurde. Dieses Phänomen bietet die Möglichkeit, die Morphologie-Dichte-Korrelation zu modifizieren, die Diskrepanzen mit diesen Hohlräumen aufweist. Solche Beobachtungen wie die Morphologie-Dichte-Korrelation können helfen, neue Facetten darüber aufzudecken, wie Galaxien im großen Maßstab entstehen und sich entwickeln. Auf lokalerer Ebene haben Galaxien, die sich in Hohlräumen befinden, andere morphologische und spektrale Eigenschaften als solche, die sich in den Wänden befinden. Ein Merkmal, das gefunden wurde, ist, dass Hohlräume einen signifikant höheren Anteil an Starburst-Galaxien junger, heißer Sterne enthalten, verglichen mit Proben von Galaxien in Wänden.

Leerstellen bieten Möglichkeiten, die Stärke intergalaktischer Magnetfelder zu untersuchen. Eine Studie aus dem Jahr 2015 kommt beispielsweise auf der Grundlage der Ablenkung von Blazar- Gammastrahlenemissionen, die durch Hohlräume wandern , zu dem Schluss, dass der intergalaktische Raum ein Magnetfeld mit einer Stärke von mindestens 10 ^–17 G enthält . Die spezifische großräumige magnetische Struktur des Universums deutet auf eine primordiale "Magnetogenese" hin, die wiederum eine Rolle bei der Bildung von Magnetfeldern in Galaxien gespielt haben könnte und auch Schätzungen der Zeitachse der Rekombination im frühen Universum ändern könnte .

Anomalien in Anisotropien

Kalte Flecken im kosmischen Mikrowellenhintergrund , wie der WMAP-Kältefleck , der von Wilkinson Microwave Anisotropy Probe gefunden wurde , könnten möglicherweise durch eine extrem große kosmische Leere mit einem Radius von ~120 Mpc erklärt werden, solange der spät integrierte Sachs-Wolfe-Effekt wurde bei der möglichen Lösung berücksichtigt. Anomalien bei CMB-Screenings werden jetzt möglicherweise durch die Existenz großer Hohlräume erklärt, die sich entlang der Sichtlinie befinden, in der die kalten Stellen liegen.

CMB-Screening des Universums.

Erweiterung

Obwohl dunkle Energie derzeit die beliebteste Erklärung für die Beschleunigung der Expansion des Universums ist , geht eine andere Theorie auf die Möglichkeit ein, dass unsere Galaxie Teil einer sehr großen, nicht ganz so dichten kosmischen Leere ist. Nach dieser Theorie könnte eine solche Umgebung naiv dazu führen, dass dunkle Energie benötigt wird, um das Problem mit der beobachteten Beschleunigung zu lösen. Da mehr Daten zu diesem Thema veröffentlicht wurden, haben sich die Chancen, dass es sich um eine realistische Lösung anstelle der aktuellen Λ CDM- Interpretation handelt, stark verringert, aber nicht insgesamt aufgegeben.

Gravitationstheorien

Die Häufigkeit von Hohlräumen, insbesondere in Kombination mit der Häufigkeit von Galaxienhaufen, ist eine vielversprechende Methode für Präzisionstests von Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie auf großen Skalen und in Regionen mit geringer Dichte.

Das Innere von Hohlräumen scheint oft kosmologischen Parametern zu folgen, die sich von denen des bekannten Universums unterscheiden. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaft sind kosmische Leerräume großartige Labore, um die Auswirkungen von Gravitationsclustern und Wachstumsraten auf lokale Galaxien und ihre Struktur zu untersuchen, wenn die kosmologischen Parameter andere Werte als das äußere Universum haben. Aufgrund der Beobachtung, dass größere Hohlräume überwiegend in einem linearen Regime verbleiben, wobei die meisten Strukturen innerhalb der unterdichten Umgebung sphärische Symmetrie aufweisen; das heißt, die Unterdichte führt zu nahezu vernachlässigbaren Teilchen-Teilchen-Gravitationswechselwirkungen, die ansonsten in einem Bereich normaler galaktischer Dichte auftreten würden. Testmodelle für Hohlräume können mit sehr hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Die kosmologischen Parameter, die sich in diesen Hohlräumen unterscheiden, sind _m , _Λ und H ₀ .

Siehe auch

Verweise

Externe Links

Cosmicvoids.net
Animierte Ansichten von Hohlräumen und ihrer Verteilung von Hume Feldman mit Sergei Shandarin, Dept. Physics and Astronomy, University of Kansas, Lawrence, KS, USA.
Visualisierung von Großstrukturen in der Nähe Fairall, AP, Paverd, WR und Ashley, RP

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