Виявлення анізотропних космічних структур на гігапарсекових масштабах

Відповідно до космологічного принципу, що лежить в основі стандартної космологічної моделі ΛCDM, Всесвіт повинен ставати статистично однорідним і ізотропним на великих масштабах. Однак це уявлення все частіше ставиться під сумнів через складну мережу структур і порожнеч на великій шкалі, що спостерігається в розподілі галактик, а також завдяки незалежним дослідженням, які вказують на можливі відхилення від статистичної однорідності та ізотропії.

Сьогодні два астрофізики, у статті, опублікованій в Nature, знову демонструють, що розподіл галактик має анізотропні структури, які є стійкими і простягаються до масштабів порядку гігапарсека. Це викликає сумніви щодо основ стандартної моделі.

Просторовий розподіл галактик є важливим спостережуваним параметром для вивчення структури Всесвіту на великій шкалі. Однак характеристика його статистичних властивостей залишається складним завданням, оскільки він демонструє складні візерунки, що простягаються до найбільших відомих структур космосу. Основною метою спостережної космології є визначення просторового масштабу цих структур, що дозволяє здійснювати відповідні статистичні порівняння з теоретичними моделями формування галактик.

У галактичних оглядах згрупування зазвичай характеризується середніми кутовими статистиками, такими як функція кореляції двох точок або її фур'є-еквівалент — спектр потужності, які кількісно оцінюють амплітуду коливань щільності в залежності від масштабу, але є вроджено нечутливими до напрямкової інформації.

Дослідження анізотропії на великій шкалі зосереджувалися на специфічних сигналах, зокрема на низько порядкових мультиполях у космічному фоні, або на напрямкових варіаціях кількості астрофізичних джерел. Паралельно були широко використані алгоритми для виявлення морфологічних характеристик, таких як філаменти, стіни та порожнечі, для характеристики космічної сітки. Перші спостереження виявили філаменти, що простягаються до приблизно 60 Мпк, тоді як подальші дослідження виявили філаменти на рівні суперкущів, які охоплюють близько 150 Мпк. Нещодавно були зафіксовані структури, що простягаються на кілька сотень Мпк, хоча їх статистичне значення залишається невизначеним.

Узагальнюючи, ці дослідження свідчать про те, що поточні спостереження можуть уже виявляти відхилення від ізотропії на великій шкалі. Однак більшість з цих методів націлені на специфічні прояви анізотропії, тестуючи привілейовані напрямки, а не надаючи загальну характеристику напрямкової структури.

Щоб подолати ці обмеження, Франческо Силос Лабіні та Марко Галаппо використали розподіл кутових відстаней пар (ADPD), який є безпараметричною статистикою, що вимірює напрямкові кореляції. Ця міра безпосередньо аналізує розподіл орієнтацій пар галактик з фіксованою відстанню без кутової декомпозиції та залежних від моделі гіпотез. Її можна застосовувати до зразків з довільною геометрією та безпосередньо порівнювати з ізотропними прогнозами та симульованими каталогами, отриманими з числових симуляцій моделей космології з N тілами.

У своїй аналізі зразків галактик з каталогу DESI (з понад 30 000 галактик на зразок) Силос Лабіні та Галаппо виявили сигнали анізотропії, які перевищують ті, що спостерігалися в ізотропних контролях та симульованих каталогах ΛCDM, з статистичною значущістю понад 3σ. Карти, які вони створили, виявляють помітні вертикальні гребені, що вказують на надлишок пар галактик, вирівняних за певними напрямками, які зберігаються на широкому діапазоні відстаней. Ці когерентні структурні філаменти простягаються на сотні мегапарсеків і відповідають видовженим візерункам, видимим на проекціях.

Дослідники порівняли ці результати з симульованими каталогами, створеними на основі моделі ΛCDM, адаптованими до даних за геометрією, товщиною зрізу та кількістю галактик. На відміну від спостережень, симульовані карти демонструють лише слабкі та ефемерні напрямкові структури, що прагнуть до рівномірного розподілу на великих відстанях.

Ці результати прямо свідчать про те, що напрямкова когерентність зберігається на дуже великих масштабах, більших, ніж ті, що передбачені стандартною моделлю. Для дослідників це поведінка ставить під сумнів гіпотезу про статистично ізотропний розподіл галактик на найбільших масштабах та запрошує переосмислити, як однорідність і ізотропія на великій шкалі проявляються у спостережуваному Всесвіті, що має потенційні наслідки для інтерпретації стандартної моделі Фрідмана-Леметра-Робертсона-Уокера.

Виявлення анізотропій на великій шкалі дійсно контрастує зі стандартною формулюванням космологічного принципу, який передбачає статистичну однорідність і ізотропію в кожній точці, залишаючи при цьому можливість для коперніканського принципу, що вимагає лише відсутності привілейованих точок спостереження.

З теоретичної точки зору, існування таких анізотропій на великій шкалі спонукає до вивчення більш загальних рішень рівнянь поля Ейнштейна, які б явно враховували великомасштабні неоднорідності. Це також мотивує дослідження альтернативних джерел, які могли б сприяти прискоренню формування галактик і скупчень галактик у молодому Всесвіті, наприклад, введення самоінтеракцій для частинок темної матерії або вивчення зворотних ефектів, що виникають через неоднорідності.

Оптимістично, майбутні публікації даних DESI, а також майбутні великомасштабні огляди, такі як проект Euclid, дозволять перевірити ці результати на значно більших зразках та в космологічно більших обсягах. Ці спостереження нададуть вирішальну можливість встановити, чи анізотропні структури на великій шкалі, виявлені тут, простягаються на ще більші масштаби, що підтвердить необхідність фундаментальної еволюції нашої космологічної моделі.