Точные симуляции дают представление о структуре вселенной
Вселенная усеяна галактиками, которые в больших масштабах демонстрируют нитевидный узор, называемый космической паутиной. Это неоднородное распределение космического материала в некотором роде похоже на чернику в булочке, где материал скапливается в одних областях, но может отсутствовать в других. Основываясь на серии симуляций, исследователи начали исследовать неоднородную структуру Вселенной, рассматривая распределение галактик как совокупность точек — подобно отдельным частицам материи, из которых состоит материал, — а не как непрерывное распределение. Этот метод позволил применить математику, разработанную для материаловедения, для количественной оценки относительного беспорядка во Вселенной, что позволило лучше понять ее фундаментальную структуру.
«Мы обнаружили, что распределение галактик во Вселенной сильно отличается от физических свойств обычных материалов, имеющих свои уникальные особенности», — объяснил Оливер Филкокс, соавтор исследования. Эта работа, опубликованная в Physical Review X, была проведена Сальваторе Торквато, частым членом и посетителем Института перспективных исследований и профессором естественных наук Льюиса Бернарда, работающим на факультетах химии и физики Принстонского университета; и Оливер Филкокс, приглашенный доктор философии. студент Института с сентября 2020 года по август 2022 года, в настоящее время младший научный сотрудник Общества стипендиатов Саймонса в Колумбийском университете.
Пара проанализировала общедоступные данные моделирования, созданные Принстонским университетом и Институтом Флэтайрон. Каждая из 1000 симуляций состоит из миллиарда «частиц» темной материи, чьи скопления, сформированные в результате гравитационной эволюции, служат прокси для галактик. Один из основных результатов статьи касается корреляций пар галактик, топологически связанных друг с другом с помощью функции парной связности. На основании этого — и множества других дескрипторов, возникающих в теории гетерогенных сред, — исследовательская группа показала, что на самых больших масштабах (порядка нескольких сотен мегапарсеков) Вселенная приближается к гипероднородности, а на меньших масштабах (до 10 мегапарсек) становится почти антигипероднородной и сильно неоднородной.
«Воспринимаемый сдвиг между порядком и беспорядком во многом зависит от масштаба», — заявил Торквато. «Пуантилистская техника Жоржа Сёра в картине «Воскресенье на Гранд-Жатт» производит аналогичный визуальный эффект; работа кажется беспорядочной, если смотреть вблизи, и очень упорядоченной издалека. С точки зрения вселенной, степень порядка и беспорядка более тонкий, как в случае с тестом чернильных пятен Роршаха, который можно интерпретировать бесконечным числом способов». Статистические инструменты, в частности распределения ближайших соседей, кластерная диагностика, распределения Пуассона, пороги перколяции и функция парной связности, позволили исследователям разработать последовательную и объективную основу для измерения порядка. Следовательно, их открытия, сделанные в космологическом контексте, применимы и к ряду других динамических физических систем.
Эта междисциплинарная работа, сочетающая 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, которые образовались во время фазы реионизации Вселенной. И наоборот, новые явления, обнаруженные во Вселенной, могут также дать представление о различных материальных системах на Земле. Команда признает, что потребуется дополнительная работа, прежде чем эти методы можно будет применить к реальным данным, но эта работа обеспечивает надежное доказательство концепции со значительным потенциалом.
