Ievads kosmoloģijā un Visuma liela mēroga struktūrā

Mūsu izpratne par Visuma izcelsmi, attīstību un liela mēroga organizāciju pēdējā gadsimta laikā ir piedzīvojusi revolūcijas, ko veicinājuši arvien precīzāki novērojumi un teorētiski atklājumi. Kosmoloģija, kas reiz bija tikai spekulatīva joma, ir attīstījusies par datu bagātu disciplīnu, pateicoties kosmiskā fona mikroviļņu starojuma mērījumiem, galaktiku pārskatiem un modernākajiem detektoriem. Šī datu bagātība ne tikai izgaismo agrīno Visumu – kad kvantu svārstības izstiepās astronomiskos mērogos – bet arī atklāj, kā veidojās , kas kļuva par milzīgu „kosmisko tīklu“, ko mēs novērojam šodien.

10. tēmā: Kosmoloģija un Visuma liela mēroga struktūra mēs aplūkojam galvenos mūsdienu kosmoloģijas pētījumu balstus:

• Kosmiskā inflācija: teorija un pierādījumi
  Agrīnās Visuma inflācija apgalvo, ka pirmajā mazajā sekundes daļā notika ļoti ātra eksponenciāla paplašināšanās, kas atrisināja horizonta un plaknes problēmas. Tā atstāja pēdas blīvuma svārstībās, kas vēlāk tika fiksētas kosmiskā fona mikroviļņu starojumā (KFS) un liela mēroga struktūrā. Pašreizējie dati par KFS anizotropijām un polarizāciju spēcīgi atbalsta šo scenāriju, lai gan inflācijas fizika (un precīzs mehānisms) joprojām tiek aktīvi pētīta.
• Kosmiskā fona mikroviļņu starojuma detalizētā struktūra
  KFS – karstā agrīnās Visuma starojuma atspulgs, kurā ir kodētas nelielas temperatūras un polarizācijas svārstības, kas atspoguļo blīvuma traucējumus aptuveni 380 000 gadus pēc Lielā sprādziena. Šādi kartējumi (piemēram, „Planck“, „WMAP“) atklāj galaktiku un kopu aizmetņus un precīzus kosmoloģiskos parametrus, piemēram, vielas blīvumu, Hābla konstanti un Visuma izliekuma ierobežojumus.
• Kosmiskā tīkla: šķiedras, tukšumi un superskopas
  Gravitācija, kas iedarbojas uz tumšo matēriju un barioniem no agrīnām svārstībām, radīja „kosmisko tīklu“, kurā galaktikas sakoncentrējas gar milzīgām šķiedrām, kas apņem tukšumus, veidojot superskopas. Tumšās matērijas un gāzu N-korpuskulu simulācijas, salīdzinātas ar nobīdes pētījumiem, parāda, kā struktūra hierarhiski veidojās miljardu gadu laikā – mazākas haloes saplūda lielākās struktūrās.
• Bariona akustiskās oscilācijas
  Karstā primārajā plazmā līdz rekombinācijai skaņas viļņi (akustiskās oscilācijas) izplatījās caur fotonu un barionu šķidrumu, atstājot raksturīgu mērogu vielas sadalījumos. Šie BAO tagad darbojas kā „standarta mērs“ galaktiku korelācijas funkcijās, ļaujot precīzi mērīt kosmisko paplašināšanos un ģeometriju, papildinot supernovu metodes.
• Nobīdes (sarkanais nobīde) pētījumi un Visuma karšu veidošana
  No pirmajiem CfA nobīdes pētījumiem līdz mūsdienu iniciatīvām, piemēram, SDSS, DESI vai 2dF, astronomi ir fiksējuši miljonus galaktiku, veidojot trīsdimensiju kosmiskā tīkla rekonstrukciju. Šādi pētījumi sniedz zināšanas par liela mēroga plūsmām, paplašināšanās ātrumu, kopu amplitūdu un tumšās enerģijas ietekmi uz Visumu laika gaitā.
• Gravitācijas lēca: dabīgs kosmiskais teleskops
  Masīvas galaktiku kopas vai kosmiskās struktūras izkropļo fona gaismas izplatīšanos, rada vairākkārtējus attēlus vai pastiprina gaismu – tas ir dabīgs dabas teleskops. Papildus iespaidīgiem astrofiziskiem attēliem, lēca ļauj precīzi izmērīt kopējo masu (ieskaitot tumšo matēriju), novērtēt kopu masas sadalījumu, kalibrēt attālumus un pētīt tumšo enerģiju caur kosmisko vājās lēcas efektu.
• Hābla konstantes mērījums: spriedze
  Viens no jaunākajiem kosmoloģijas jautājumiem ir neatbilstība starp „vietējiem“ Hābla konstantes mērījumiem (izmantojot attāluma kāpnes, piemēram, Cefīdu zvaigznes un supernovas) un „globālajām“ metodēm (pamatojoties uz KFS datu pielāgotajām ΛCDM analīzēm). Šo tā saukto Hābla spriedzi ir izraisījusi diskusijas par iespējamu jaunu fiziku, sistēmisku kļūdu vai vēl nezināmiem procesiem agrīnajā vai vēlā Visumā.
• Tumšās enerģijas pārskati
  Speciālas programmas, piemēram, Dark Energy Survey (DES), „Euclid“ un Romā kosmiskais teleskops (Roman Space Telescope), novēro supernovas, galaktiku kopas un lēcas signālus, cenšoties labāk izprast tumšās enerģijas stāvokļa vienādojumu un evolūciju. Šie novērojumi pārbauda, vai tumšā enerģija ir vienkārša kosmoloģiskā konstante (w = -1) vai dinamiska lauka ar mainīgu w.
• Anizotropijas un nevienmērīgums
  No temperatūras anizotropijām KFS līdz lokālām nevienmērībām galaktiku sadalījumā – šie fenomeni ir ārkārtīgi svarīgi. Tie ne tikai apstiprina kosmisko inflāciju, bet arī parāda, kā tumšā matērija un barioni, iedarbojoties gravitācijai, uzkrājas, veidojot tādu Visuma liela mēroga vidi, kādu redzam šodien.
• Pašreizējās diskusijas un neatbildētie jautājumi
  Lai gan ΛCDM modelis daudzviet darbojas, joprojām ir atklāti jautājumi: inflācijas detaļas, tumšās matērijas daļiņu daba, iespējamās alternatīvās gravitācijas teorijas kosmiskā paātrinājuma skaidrošanai, Hābla spriedzes risinājums un dziļāka Visuma topoloģija. Šie jautājumi veicina turpmāku teorētisko attīstību un jaunus novērojumu projektus.

Aplūkojot šīs galvenās tēmas – inflāciju, KFS struktūru, kosmisko tīklu, BAO, nobīdes pētījumus, gravitācijas lēcu, tumšās enerģijas novērojumus un neatbildētos jautājumus – šī tēma atklāj grandiozu Visuma liela mēroga struktūras portretu: kā tā veidojās no agrīnās inflācijas laikmeta, attīstījās, iedarbojoties tumšajai matērijai un tumšajai enerģijai, un joprojām rada neatrisinātas mīklas, kas gaida atbildes.