Визуализация самых больших структур во вселенной

Вселенная полна галактик, которые в больших масштабах демонстрируют нитевидный узор, называемый космической паутиной. Это неоднородное распределение космического материала в некотором роде подобно чернике в пироге, где материал собирается в одних областях, но может отсутствовать в других.

Основываясь на серии симуляций, исследователи начали исследовать неоднородную структуру Вселенной, рассматривая распределение галактик как совокупность точек — как отдельные частицы материи, из которых состоит материя, — а не как непрерывное распределение. Этот метод позволил применить математику, разработанную для материаловедения, для определения относительного беспорядка во Вселенной, что позволило лучше понять ее основную структуру.

«Мы обнаружили, что распределение галактик во Вселенной сильно отличается от физических свойств обычных материалов, которые имеют свои уникальные особенности», — пояснил соавтор исследования Оливер Вилкокс.

Эта работа, в настоящее время опубликованная в Physical Review X, была проведена Сальваторе Торквато, постоянным членом и приглашенным членом Института перспективных исследований и профессором естественных наук Льюиса Бернарда на факультетах химии и физики Принстонского университета; и Оливер Вилкокс, приглашенный доктор философии. Студент Института с сентября 2020 года по август 2022 года, а в настоящее время является младшим членом Общества стипендиатов Симмонса при Колумбийском университете.

Пара проанализировала общедоступные данные моделирования, созданные Принстонским университетом и Институтом Флэтайрон. Каждая из 1000 симуляций состоит из миллиарда «частиц» темной материи, скопления которых образовались в результате гравитационной эволюции и действуют как заменители галактик.

Видео предоставлено: НАСА/Чикагский университет, Планетарий Адлера и Музей астрономии.

Один из основных выводов статьи касается корреляций между парами галактик, которые топологически связаны друг с другом через функцию парной корреляции. Основываясь на этом — и на множестве других дескрипторов, появившихся в теории гетерогенных сред — исследовательская группа показала, что в больших масштабах (порядка нескольких сотен мегапарсеков) Вселенная приближается к гипероднородности, в то время как в меньших масштабах (до до 10 мегапарсеков) становится почти пятиугольной, форма очень неоднородная.

Торкато утверждает, что «наблюдаемый сдвиг между порядком и хаосом очень сильно зависит от масштаба». Похожий визуальный эффект производит пуантилистский стиль Жоржа Сёра в картине «Воскресенье на Гранд-Жатт»: работа кажется беспорядочной, если смотреть вблизи, и очень аккуратной издалека. случай с тестом чернильных пятен Роршаха, который можно интерпретировать бесконечным числом способов».

Статистические инструменты, а именно распределения ближайших соседей, кластерные диагнозы, распределения Пуассона, пороги номинации и функция парной корреляции, позволили исследователям разработать последовательную и объективную основу для измерения ранга. Следовательно, их открытия, хотя и выполнены в космологическом контексте, применимы к ряду других динамических и физических систем.

Эта междисциплинарная работа, сочетающая в себе методы космологии и физики конденсированного состояния, имеет будущее значение для обеих областей. Помимо распределения галактик, с помощью этих инструментов можно исследовать многие другие особенности Вселенной, в том числе космические пустоты и пузыри ионизированного водорода, образовавшиеся во время фазы реионизации Вселенной. Напротив, новые явления, которые были обнаружены во Вселенной, могут также дать представление о различных системах материи на Земле. Команда признает, что требуется дополнительная работа, прежде чем эти методы можно будет применить к реальным данным, но эта работа обеспечивает надежное доказательство концепции с большим потенциалом.

Об институте

Институт перспективных исследований служил миру как один из ведущих независимых центров теоретических и интеллектуальных исследований с момента своего основания в 1930 году, расширяя границы знаний в области естественных и гуманитарных наук. Начиная с работы преподавателей IAS, таких как Альберт Эйнштейн и Джон фон Нейман, и заканчивая работами современных ведущих мыслителей, IAS посвящен исследованиям, основанным на фундаментальном любопытстве и открытиях.

Каждый год Институт принимает более 200 самых многообещающих постдокторантов и ученых мира, которые отбираются и получают наставничество от постоянных преподавателей, каждый из которых является выдающимся лидером в своей области. Среди нынешних и бывших преподавателей и сотрудников были 35 лауреатов Нобелевской премии, 44 из 62 медалей Филдса, 22 из 25 лауреатов Абелевской премии, а также многие лауреаты премии Макартура и Вулфа.

Турбулентная гетерогенная Вселенная: распределение галактик и CLтыКачание по шкале длиныX физический обзор