Nykyaikainen kosmologinen malli olettaa, että läheisten galaksien liike on hallittavissa laajalla tasaisella rakenteella, joka koostuu pimeästä aineesta, ja selittää, miksi nämä kaksi avaruuden jättiläistä törmäävät toisiinsa.
Sisältö
Lähigalaksien käyttäytyminen on ollut vuosikymmenten ajan jatkuva ongelma astronomialle. Vaikka lähes kaikki suuret galaksit Linnunradan ympäristössä ovat loittoneet siitä yleisen kosmisen laajenemisen mukaisesti, yksi poikkeus erottuu selvästi: Andromeda .
Lähin galaktinen naapurimme lähestyy meitä suurella nopeudella ja säilyttää lentoradan, joka johtaa tulevaisuudessa törmäykseen . Tämä kontrasti on haastanut mallit, simulaatiot ja perustavanlaatuiset oletukset massan jakautumisesta lähimmässä universumissa.
Uudet tutkimukset tarjoavat vakuuttavan ja tyylikkään vastauksen: paikallinen maailmankaikkeus ei ole pallomainen, vaan se on laaja tasainen pinta, jossa vallitsee pimeä aine.
Tämä löytö on tulosta tutkimuksesta, jossa yksityiskohtaiset astronomiset havainnot yhdistettiin tarkkoihin kosmologisiin malleihin. Tuloksena on yllättävän järjestäytynyt galaktinen ympäristö, jossa näkymättömän aineen geometria on ratkaisevassa roolissa.
Sen sijaan, että se ympäröisi tasaisesti Paikallisryhmän tähtiä, suurin osa massasta on keskittynyt litistettyyn rakenteeseen, joka ulottuu kymmenien miljoonien valovuosien päähän. Tällainen kokoonpano selittää sekä Galaksin ja Andromedan välisen keskinäisen vetovoiman että muiden läheisten galaksien etäisyyden.
Tämä malli ratkaisee pitkäaikaisen ristiriidan standardin kosmologisen teorian ja niin sanotun Hubble-virtauksen havaintojen välillä lähialueella. Se antaa myös kokonaisvaltaisemman kuvan siitä, miten gravitaatio muokkaa paikallista avaruutta ja miksi jotkut avaruuden alueet näyttävät lähes tyhjiltä, kun taas toiset sisältävät suurimman osan aineesta.
Kosminen virtaus, joka ei käyttäydy niin kuin sen pitäisi.
Universumin laajeneminen oli yksi 1900-luvun suurimmista löydöistä. Hubblen lain mukaan galaksit etääntyvät toisistaan nopeudella, joka on verrannollinen etäisyyteen. Yleisesti ottaen, mitä kauempana galaksi on, sitä nopeammin se näyttää etääntyvän. Tämä riippuvuus osoittaa kuitenkin poikkeamia paikallisella tasolla, jossa suurten massakeskittymien painovoima muuttaa odotettua liikettä.
Paikallinen galaksiryhmä, johon kuuluvat Linnunrata, Andromeda, Kolmion galaksi ja kymmeniä kääpiögalakseja, on yksi tällainen esimerkki. Andromeda sijaitsee noin 2,5 miljoonan valovuoden päässä ja liikkuu kohti galaksiaamme noin 110 kilometrin sekuntinopeudella. Tämä liike on ristiriidassa muiden lähistöllä sijaitsevien suurten galaksien liikkeen kanssa, jotka sijaitsevat paikallisen ryhmän ulkopuolella ja jotka loittonevat vielä nopeammin kuin keskimääräinen kosmoksen laajeneminen ennustaa.
Tämä ilmiö on hämmentänyt tähtitieteilijöitä yli puolen vuosisadan ajan. 1950-luvun lopulla Franz Kahnin ja Lodewijk Voltaire laskelmat osoittivat jo, että Linnunradan ja Andromedan näkyvä massa ei riitä selittämään niiden keskinäistä vetovoimaa. Tämä ristiriita oli yksi ensimmäisistä todisteista pimeän aineen olemassaolosta – näkymättömästä aineen muodosta, joka vuorovaikuttaa pääasiassa gravitaation välityksellä.
Ajan myötä on vahvistettu, että molemmat galaksit ovat ympäröityjä laajoilla pimeän aineen halojen , joiden massa on huomattavasti suurempi kuin niiden tähtien ja kaasun massa. Tämä rakenne selittää Andromedan lähestymisen, mutta ei selitä, miksi muut läheiset galaksit näyttävät välttävän Paikallisryhmän yhdistettyä gravitaatiovoimaa.
Uusi tutkimus, joka on julkaistu Nature Astronomy -lehdessä, tarkastelee tätä ongelmaa monimutkaisesta näkökulmasta. Tutkijat lähtivät liikkeelle keskeisestä oletuksesta: pimeän aineen jakautuminen päähalojen ulkopuolella voi olla yhtä tärkeää kuin galaksien massa itsessään.
Kuten kirjoittajat totesivat, ”Andromedan galaksimme ja sen kääpiögalaksit muodostavat Paikallisen ryhmän. Suurimman osan sen massasta ja sen ympärillä olevasta massasta uskotaan koostuvan pimeästä aineesta, ei kaasusta tai tähdistä, joten sen jakautuminen tulisi määrittää gravitaation vaikutuksen perusteella näkyvien kohteiden liikkeeseen”.
Mallinnukseen sisällytettiin paitsi Paikallinen galaksijoukko myös 31 galaksia, jotka sijaitsevat sen rajojen ulkopuolella, jopa 32 miljoonan valovuoden etäisyydellä.
Malli perustui varhaisen maailmankaikkeuden alkuolosuhteisiin, jotka oli johdettu kosmisen mikroaaltotaustan perusteella, ja se kehittyi siten, että se toisti havaittujen galaksien nykyiset sijainnit ja nopeudet.
Tulos oli johdonmukainen ja havainnollinen. Paikallista ryhmää ympäröivä massa ei ole jakautunut pallomaisesti, vaan tasaisena, pitkänomaisena rakenteena. Tässä kerroksessa on keskittynyt sekä pimeää että näkyvää ainetta, ja sen gravitaatiovaikutus hallitsee läheisten galaksien liikettä.
Tasainen geometria, joka järjestää galaksit ja tyhjät tilat.
Tämän pimeän aineen kerroksen olemassaolo muuttaa käsitystämme galaktisesta ympäristöstä. Tässä rakenteessa olevat galaksit kokevat gravitaatiovoiman vetovoiman kaukaisempiin alueisiin tässä kerroksessa , mikä kompensoi lähes kokonaan Linnunradan ja Andromedan vetovoiman. Tämän seurauksena nämä galaksit seuraavat Hubble-virtausta tai jopa poistuvat odotettua nopeammin.
Toisin kuin Linnunrata, Andromeda sijaitsee samassa tasossa kuin Linnunrata ja sijaitsee molempien halojen keskinäisen gravitaatiovaikutuksen alueella. Tämä selittää, miksi se on ainoa suuri galaksi, joka liikkuu meitä kohti.
Tutkimus valaisi myös suurten avaruusaukkojen roolia. Folion ylä- ja alapuolella avaruus näyttää yllättävän galaksittomalta. Nämä alueet muodostuivat varhaisen maailmankaikkeuden kohdissa, joissa alkuperäinen tiheys oli hieman alle keskiarvon. Tämän seurauksena ne laajenivat nopeammin ja heittivät aineensa ympäröiviin alueisiin.
Tämä säännönmukaisuus selittää, miksi muita galakseja ei havaita liikkuvan kohti Linnunrataa näistä suunnista. Yksinkertaisesti sanottuna, näissä tyhjyyksissä ei ole massiivisia kohteita, jotka voisivat tehdä niin. Ympäristön geometria toimii dynaamisena suodattimena, joka rajoittaa mahdollisia liikkeitä.
Itse kirjoittajat myönsivät, että aikaisemmissa malleissa oli jatkuvia vaikeuksia. ”Simuloinnissa oli pitkään vaikeuksia toistaa Hubblen hiljaista virtausta Paikallisryhmän ympärillä, koska se vaatii epärealistisen pienen massan kahden päägalaksin halon ulkopuolella. Tässä palaamme tähän ongelmaan käyttämällä paikallisen ryhmän analogien mallinnusta, jonka alkuolosuhteet on rajoitettu vastaamaan kahden päägalaksin ja ympäröivän virtauksen havaittua dynamiikkaa.”
Uusi lähestymistapa on mahdollistanut näiden ristiriitojen sovittamisen yhteen standardin kosmologisen mallin puitteissa, joka tunnetaan nimellä kylmän pimeän aineen malli kosmologisella vakiolla, tai LCDM. Artikkelin mukaan ”havainnot ovat yhdenmukaisia LCDM:n kanssa, mutta vain jos massa on voimakkaasti keskittynyt tasoon 10 Mpc:n sisällä, jolloin pintatiheys kasvaa etäisyyden kasvaessa Paikallisesta ryhmästä ja ylä- ja alapuolella on syviä aukkoja”.
Tämä kokoonpano ei ainoastaan sovita paikallisen ryhmän dynaamisia massaarvioita havaittuun nopeuskenttään, vaan se myös heijastaa tunnettuja rakenteita läheisten galaksien jakautumisessa. Saadut Hubble-virtaukset osoittavat järjestäytynyttä, vaikkakin anisotrooppista käyttäytymistä – ominaisuus, joka on jäänyt osittain piiloon tiettyihin suuntiin havaittavien galaksien puutteen vuoksi.
Välittömän ympäristön lisäksi tutkijat ovat löytäneet lisäevidenssiä, joka tukee tätä mallia. Kaukana ja korkeilla leveysasteilla sijaitsevat galaksit näyttävät liikkuvan kohti tasaista pintaa nopeudella, joka on useita satoja kilometrejä tunnissa. Uusien rakenteiden löytäminen tyhjistä alueista voi antaa riippumattoman vahvistuksen tälle kosmologiselle arkkitehtuurille.
Tämän tutkimuksen merkitys ulottuu paikallisen mysteerin ratkaisun ulkopuolelle. Osoittamalla, että havaittu dynamiikka sopii täydellisesti standardiin kosmologiseen malliin, työ vahvistaa ajatusta, että pimeä aine ohjaa paitsi yksittäisten galaksien muodostumista myös lähitilan laajamittaista organisoitumista.
Tekijöiden mukaan mallinnuksen, havaintojen ja teorian välinen saavutettu yhdenmukaisuus antaa kattavamman kuvan galaksin ympäristöstä. Paikallinen maailmankaikkeus lakkaa olemasta kaoottinen näyttämö ja ilmestyy rakenteeksi, jonka gravitaatio on huolellisesti muovannut ja jossa jopa näkymätön luo tarkan järjestyksen.
Näin ollen tulevan Linnunradan ja Andromedan törmäys ei enää näyttäydy poikkeamana, vaan luonnollisena seurauksena sijainnistamme kosmisen pimeän aineen kerroksessa. Hiljainen ja huomaamaton rakenne, joka varjosta määrää galaksien kohtalon.
