Er der et mønster i universet?

Galaxy klynger i

Galaxy -klynger i det 'kosmiske web'. (Billedkredit: K. Dolag, University Observatory Munich, Ludwig Maximilians University München, Tyskland)



Paul M. Sutter er astrofysiker hos SUNY Stony Brook og Flatiron Institute, vært for Spørg en rummand og Rumradio , og forfatter til Sådan dør du i rummet .



I årtier har kosmologer spekuleret på, om den store struktur af universet er en fraktal - altså hvis den ser ens ud uanset hvor stor skalaen er. Efter at have gennemført massive undersøgelser af galakser har forskere endelig et svar: Nej, men på en måde.

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede, astronomer - begyndende med Edwin hubble og hans opdagelse af den enorme afstand til Andromeda, den nærmeste galakse til vores egen Mælkevejen - begyndte at indse, at universet er næsten ufatteligt stort. De lærte også, at vi kan se galakser spredt rundt, både nær og langt. Og så opstod der naturligvis et spørgsmål: Er der nogen form for mønster for arrangementet af disse galakser, eller er det helt tilfældigt?



Universet: Big Bang til nu i 10 lette trin

Først så det tilfældigt ud. Astronomer så gigantiske galaksehobe, der hver indeholdt tusind eller flere galakser. Og der var også meget mindre grupper af galakser og galakser, der hang ud af sig selv. Tilsammen fik observationerne det til at se ud som om der ikke var noget overordnet mønster for kosmos.

Og astronomer havde det fint med det. De havde længe antaget en idé kaldet det kosmologiske princip - det vil sige at universet for det meste er homogent (nogenlunde det samme fra sted til sted) og isotrop (nogenlunde det samme uanset hvilken retning du ser). En flok tilfældige galakser og klynger passer lige ind i dette princip.



Men i slutningen af ​​1970'erne blev galakseundersøgelser sofistikerede nok til at afsløre begyndelsen på et mønster i arrangementet af galakser. Udover klyngerne var der også lange, tynde filamenter af galakser. Der var brede vægge. Og så var der tomrum - store vidder af ingenting. Astronomer kaldte det det kosmiske web. Dette mønster ville krænke det kosmologiske princip, fordi det ville betyde, at store områder i universet ikke lignede andre store områder i universet.

Så måske var der mere til historien.

Et univers i et univers

Et forslag kom fra matematiker Benoit Mandelbrot , far til fraktaler. Fraktaler er frustrerende svære at definere, men de kan være enkle nok til at intuitere: De er mønstre, der gentages, uanset hvor langt ind eller ud du zoomer. Mandelbrot opfandt ikke begrebet fraktaler-matematikere havde studeret selvlignende mønstre i evigheder-men han opfandt ordet 'fraktal' og indledte vores moderne undersøgelse af konceptet.



Fraktaler er overalt. Hvis du zoomer ind på en snefnugs punkt, ser du miniature snefnug. Hvis du zoomer ind på et træs grene, ser du miniaturegrene. Hvis du zoomer ind på en kystlinje, ser du miniaturekystlinjer. Fraktaler omgiver os i naturen, og fraktals matematik har gjort os i stand til at forstå en lang række selvlignende strukturer i universet.

Hvis fraktaler er overalt, gætte Mandelbrot, så er hele universet måske en fraktal. Måske var det vi så som mønsteret i arrangementet af galakser begyndelsestrinnene i den størst mulige fraktal. Måske hvis vi byggede sofistikerede undersøgelser nok, ville vi finde redestrukturer - kosmiske baner inde i kosmiske baner, der fylder hele universet til uendeligt.

Relaterede: 8 forbløffende astronomimysterier

Homogeniseret og pasteuriseret

Efterhånden som astronomer opdagede mere om det kosmiske web, lærte de mere om Big Bangs historie, og de fandt på måder at forklare eksistensen af ​​de store mønstre i universet. Disse teorier forudsagde, at universet stadig var homogent, bare på meget, meget større skalaer, end astronomer tidligere havde observeret.

Den ultimative test af et fraktalunivers ville først komme i dette århundrede, hvor virkelig enorme undersøgelser, ligesom Sloan Digital Sky Survey, har været i stand til at kortlægge placeringen af ​​millioner af galakser og male et portræt af det kosmiske web på skalaer, der aldrig er observeret Før.

Hvis ideen om fraktaluniverset er sand, bør vi se vores lokale kosmiske web indlejret i et meget større kosmisk web. Hvis det er forkert, skal det kosmiske web på et tidspunkt stoppe med at være et kosmisk web, og en tilfældig, stor nok del af universet skal (statistisk) ligne enhver anden tilfældig del.

Resultatet er homogenitet, men i en forbløffende skala. Du skal op til omkring 300 millioner lysår, før universet fremstår homogent.

Universet er bestemt ikke en fraktal, men dele af det kosmiske væv har stadig interessante fraktallignende egenskaber. For eksempel danner klumper af mørkt stof kaldet 'glorier', som er vært for galakser og deres klynger, indlejrede strukturer og understrukturer, hvor glorier holder sub-haloer og sub-sub-haloer inde i dem.

Omvendt er hulrummene i vores univers ikke helt tomme. De indeholder nogle få svage dværggalakser, og de få galakser er arrangeret i en subtil, svag version af det kosmiske web. I computersimuleringer indeholder underhulerne i denne struktur også deres egne brusende kosmiske baner.

Så selvom universet som helhed ikke er en fraktal - og Mandelbrots idé ikke holdt op - kan vi stadig finde fraktaler næsten overalt, hvor vi kigger.

Lær mere ved at lytte til afsnittet 'Er universet en fraktal?' på Ask A Spaceman -podcasten, tilgængelig den iTunes og askaspaceman.com . Tak til Mitchell L. for de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter .