'피지컬리뷰D'가 최신 연구보고서를 '에디터 추천' 형태로 게재했다. 보고서에는 한 연구팀이 현재 우주 구조의 기원을 탐구하기 위해 100만개 이상의 은하계를 분석했다고 명시되어 있다. 연구자들은 인플레이션 이론의 측면을 확인하고 우주의 형성을 이해하는 데 상당한 진전을 나타내는 혁신적인 접근 방식을 사용하여 광대한 거리에 걸쳐 은하 모양의 놀라운 배열을 밝혀냈습니다.

오늘날까지 우주 마이크로파 배경(CMB)과 대규모 구조(LSS)에 대한 정밀한 관측과 분석은 차가운 암흑 물질(CDM)과 암흑 에너지(우주 상수 Λ)가 중요한 특징인 소위 ΛCDM 모델이라는 우주의 표준 프레임워크를 확립해 왔습니다.

우주의 대규모 구조를 관찰하여 얻은 이미지입니다. 노란색에서 빨간색으로 표시된 수많은 물체는 지구에서 수억 광년 떨어진 은하를 나타냅니다. 이 은하들은 다양한 색상과 모양으로 나타나며 광대한 우주에는 셀 수 없이 많습니다. 이들 은하의 공간적 분포와 모양 패턴은 무작위가 아니라 인플레이션에 의해 예측된 원래 변동 시드의 통계적 특성에서 파생된 "상관관계"를 갖고 있습니다. 출처: 스바루HSC

이 모델은 원래의 파동이 우주의 시작, 즉 우주의 초기에 생성되었다고 믿습니다. 그것은 별, 은하, 은하단, 우주 전체의 공간 분포를 포함하여 우주의 모든 것을 생성하는 방아쇠와 같았습니다. 변동이 발생했을 때는 매우 작지만 시간이 지남에 따라 중력의 영향으로 변동이 계속 증가하여 결국 암흑 물질의 조밀한 영역, 즉 후광이 형성됩니다. 그러다가 서로 다른 고리가 반복적으로 충돌하고 서로 합쳐지면서 은하와 같은 천체를 형성했습니다.

은하 분포와 원래 변동

은하의 공간적 분포의 성격은 원래 은하를 생성한 원래의 변동의 성격에 깊은 영향을 받기 때문에, 사람들은 원래의 변동의 성격을 관측적으로 탐구하기 위해 은하 분포에 대한 통계적 분석을 적극적으로 수행해 왔습니다. 이 외에도 우주의 광대한 지역에 퍼져 있는 은하 모양의 공간 패턴도 근본적인 원시 변동의 특성을 반영합니다.

그러나 전통적인 대규모 구조 분석은 점으로서의 은하의 공간적 분포에만 초점을 맞춥니다. 최근 연구자들은 더 많은 정보를 제공할 뿐만 아니라 다른 관점에서 원래 변동의 성격을 밝혀주기 때문에 은하의 모양을 연구하기 시작했습니다.

우주의 원래 변동의 "차이"가 어떻게 암흑 물질의 공간적 분포를 다르게 하는지에 대한 시각적 다이어그램입니다. 중앙 그림(상단 및 하단 행에 공유됨)은 기준 가우스 분포의 변동을 보여줍니다. 색상 그라데이션(파란색에서 노란색으로)은 해당 위치(저밀도 영역에서 고밀도 영역으로)의 변동 값에 해당합니다. 왼쪽과 오른쪽의 이미지는 가우스 또는 비가우스 분포에서 약간 벗어나는 변동을 보여줍니다. 괄호 안의 부호는 가우스 분포의 편차 부호를 나타내며 왼쪽은 음(-) 편차, 오른쪽은 양(+) 편차를 나타냅니다. 맨 윗줄은 등방성 비가우시안의 예입니다. 중앙 가우스 변동과 비교하여 왼쪽 이미지는 음수 값이 큰 영역(진한 파란색)이 증가한 반면, 오른쪽 이미지는 양수 값이 큰 영역(밝은 노란색)이 증가한 것을 보여줍니다. 이러한 등방성 비가우시안성을 찾기 위해 관측된 은하의 공간 분포를 사용할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 아래 그림은 이방성 비가우스성의 예입니다. 위쪽 이미지의 등방성 경우와 비교하면 중간 이미지의 가우스 변동에 비해 전체적인 밝기와 어두움은 변하지 않지만 각 영역의 모양은 변경됩니다. 우리는 은하 모양의 공간 패턴에서 이러한 "이방성" 비가우시안 특성을 찾을 수 있습니다. 출처: 쿠리타 & 타카다

당시 Kavli IPMU 대학원생 Toshiki Kurita(현재 막스 플랑크 천체 물리학 연구소의 박사후 연구원)와 Kavli IPMU 교수 Masahiro Takada가 이끄는 연구팀은 은하의 공간 분포에 대한 스펙트럼 데이터와 개별 은하 형태에 대한 이미징 데이터를 결합하여 은하 형태 패턴에서 주요 통계 정보를 추출하는 은하 형태의 파워 스펙트럼을 측정하는 방법을 개발했습니다.

종합적인 분석 및 주요 결과

연구진은 또한 오늘날 세계 최대 규모의 은하 조사인 슬로안 디지털 천문 조사(SDSS)를 통해 약 100만개 은하의 공간적 분포와 형태 패턴을 분석했다.

따라서 그들은 우주의 전체 구조가 형성되는 원래의 변동의 통계적 특성을 제한하는 데 성공했습니다.

파란색 점과 오차 막대는 은하 모양 파워 스펙트럼의 수치입니다. 세로축은 두 은하의 모양 사이의 상관관계의 강도, 즉 은하 모양 방향의 일관성을 나타냅니다. 가로축은 두 은하 사이의 거리를 나타내고, 왼쪽(오른쪽) 축은 더 멀리 있는(가까운) 은하 사이의 상관관계를 나타냅니다. 회색 점은 비물리적 겉보기 상관관계를 나타냅니다. 오차 범위 내의 값은 0이며, 이는 파란색 측정 지점이 실제로 천체 물리학적으로 생성된 신호임을 ​​확인합니다. 검은색 곡선은 가장 표준적인 인플레이션 모델의 이론적인 곡선으로 실제 데이터 포인트와 매우 잘 일치합니다. 출처: 쿠리타&다카다

그들은 1억 광년 이상 떨어진 두 은하의 모양과 방향에 통계적으로 유의미한 일관성이 있음을 발견했습니다. 그들의 결과는 인과관계 없이 독립적으로 형성된 것으로 보이는 먼 은하들 사이에 상관관계가 있음을 보여줍니다.

"이 연구에서는 대규모 구조 데이터에서 얻은 수많은 은하의 '형태'에 대한 통계적 분석을 통해 원래 파동의 특성에 제약을 가했습니다. 초기 우주의 물리학을 탐구하기 위해 은하의 형태를 활용한 전례가 거의 없으며, 연구 과정은 분석 방법의 구상 및 개발부터 실제 데이터 분석까지 시행착오의 연속이었습니다. 이로 인해 많은 어려움에 직면했습니다. 하지만 박사 과정 동안 이러한 작업을 완료할 수 있어서 기쁩니다. 이번 결과가 처음이 될 것이라고 믿습니다. 우주론의 새로운 연구 분야를 개척하기 위해 은하 형태를 활용하는 단계입니다."

더욱이, 이러한 상관관계에 대한 상세한 연구는 그것이 인플레이션에 의해 예측된 것과 일치하고 원래 변동의 비가우시안 특성을 나타내지 않는다는 것을 확인시켜 줍니다.

"이 연구는 Toshiki의 박사 논문의 결과물입니다. 놀라운 연구 결과입니다. 우리는 은하의 모양과 분포를 이용하여 우주 모델을 검증하는 방법을 개발하고 이를 데이터에 적용한 후 팽창의 물리학을 테스트했습니다. 이것은 전례 없는 연구 주제이지만 그는 이 3단계의 이론, 측정 및 응용을 완성했습니다. 축하합니다! 세 단계를 모두 완료할 수 있어서 매우 자랑스럽습니다. 안타깝게도 저는 새로운 팽창 물리학의 위대한 발견을 이루지는 못했지만, Subaru Prime Focus Spectrograph를 통해 미래 연구의 길을 열었습니다."라고 Takada는 말했습니다.

컴파일된 소스: ScitechDaily