Helsingin yliopiston tutkijat ratkaisivat kosmisen arvoituksen

Oma Linnunrata-galaksimme kuuluu erittäin suureen galaksien muodostamaan paikalliseen superjoukkoon, joka levittäytyy lähes miljardin valovuoden kokoiselle alueelle. Tämä valtava rakenne muistuttaa muodoltaan pannukakkua ja sen keskitasossa sijaitsee galaksien keskittymä, jota kutsutaan supergalaktiseksi tasoksi. 

Useimmat maailmankaikkeuden galakseista ovat tyypiltään joko elliptisiä (pyöreähköjä) galakseja, jotka koostuvat enimmäkseen vanhoista tähdistä ja joiden keskustoissa sijaitsee tyypillisesti supermassiivinen musta aukko tai kiekkomaisia aktiivisesti tähtiä synnyttäviä spiraaligalakseja, kuten oma Linnunratamme. Kaksi galaksien päätyyppiä, ellipsigalaksit ja kiekkomaiset spiraaligalaksit, esiintyvät myös kotigalaksimme superjoukossa, mutta supergalaktisesta tasosta löytyy enimmäkseen vain kirkkaita ellipsigalakseja, kun taas kirkkaat kiekkogalaksit loistavat siellä poissaolollaan.   

Kosminen poikkeavuus haastaa kosmologian standardimallin

Jo 1960-luvulta lähtien on ollut tiedossa, että erityyppiset galaksit ja niiden muodostamat joukot eivät keräänny tasaisesti tähän supergalaktiseen tasoon. Tämä galaksien erikoinen jakauma sisällytettiin hiljattain arvostetun kosmologin ja vuoden 2019 Nobel-palkitun Jim Peeblesin laatimaan luetteloon "kosmisista poikkeavuuksista". 

Nyt Helsingin yliopiston tutkijoiden Till Sawalan ja Peter Johanssonin johtama kansainvälinen tutkijaryhmä on mahdollisesti löytänyt selityksen tälle havaitulle poikkeamalle. Nature Astronomy -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa tutkijaryhmä osoittaa, kuinka spiraali- ja ellipsigalaksien toisistaan poikkeava jakauma johtuu niistä olosuhteista, jotka vallitsevat sekä galaksijoukkojen sisällä ja niiden ulkopuolella. 

“Tiheissä galaksijoukoissa, jotka sijaitsevat supergalaktisessa tasossa, galaksien väliset vuorovaikutukset ja törmäykset ovat yleisiä ja nämä vuorovaikutukset edesauttavat ellipsigalaksien muodostumista ja myös supermassiivisten mustien aukkojen kasvua. Sen sijaan kiekkogalaksit, jotka sijaitsevat kaukana supergalaktisesta tasosta, voivat kehittyä verrattain eristyksissä ja täten paremmin säilyttää spiraalirakenteensa, joka tuhoutuu helposti galaksien välisissä törmäyksissä”, Till Sawala kuvailee.

Massiivinen mallinnus miljardeista vuosista

Galaksien jakaumaa tutkittiin simulaatiolla, joka mallinsi maailmankaikkeuden kehitystä 13,8 miljardin vuoden ajan, varhaisesta maailmankaikkeudesta nykyhetkeen. Tätä SIBELIUS (Simulation Beyond the Local Universe) simulaatiota ajettiin Englannissa ja Suomessa sijaitsevilla supertietokoneilla ja Suomessa simuloinnissa käytettiin erityisesti CSC:n Mahti-supertietokonetta. 

SIBELIUS-simulaatio pyrkii mallintamaan ennennäkemättömän tarkasti paikallisen maailmankaikkeuden havaittuja rakenteita, kun taas useimmat muut simulaatiot mallintavat täysin satunnaisia alueita, joiden tuloksia on täten vaikea suoraan verrata havaintoihin. Simulaatio näytti, kuinka massiiviset ellipsigalaksit kerääntyivät superrakenteen keskelle, kun taas spiraaligalaksit jakaantuivat kauemmas tasosta. Lopputulos oli huomattavan yhtenäinen todellisten havaintojen kanssa. 

“Minut oli sattumoisin kutsuttu viime joulukuussa symposioon, joka järjestettiin Jim Peeblesin kunniaksi ja jossa hän esitteli tätä ongelmaa. Esitelmää kuunnellessani ymmärsin, että olimme jo tehneet simulaation, jonka avulla tämä ongelma oli mahdollisesti ratkaistavissa” kommentoi Till Sawala. ”Tutkimuksemme osoittaa, että galaksien kehityksen tunnetut mekanismit pätevät myös tässä ainutlaatuisessa kosmisessa ympäristössä”, Till Sawala toteaa.

Kumpulan kampuksen Physicum-rakennuksen sisäänkäynnin vieressä on valtava taideteos, joka kuvaa galaksien jakautumista paikallisessa maailmankaikkeudessa. Kun teos vihittiin yli 20 vuotta sitten, tilaisuudessa puhui professori Carlos Frenk, brittiläinen kosmologi ja yksi juuri julkaistun tutkimusartikkelin kirjoittajista. 

“Galaksien erilainen jakauma paikallisessa superjoukossa on todellakin huomionarvoinen havainto” toteaa Frenk uusista tuloksista. “Mutta kyse ei lopulta ollut kosmisesta poikkeavuudesta. Sen sijaan tuloksemme osoittavat, että kosmologian standardimalli yhdessä pimeän aineen kanssa voi tuottaa havaitun maailmankaikkeuden erikoisimmatkin rakenteet.”

Julkaisu:

Till Sawala, Carlos Frenk, Jens Jasche, Peter H. Johansson, Guilhem Lavaux, Distinct distributions of elliptical and disk galaxies across the Local Supercluster as a ΛCDM prediction,Nature Astronomy, 20 Nov 2023.

Lisätietoja:

Yliopistotutkija Till Sawala (englanniksi ja saksaksi)
Helsingin yliopisto
044 0418 000
till.sawala@helsinki.fi 

Professori Peter Johansson (suomeksi ja ruotsiksi)
Helsingin yliopisto
050 318 3930
peter.johansson@helsinki.fi

Lisätietoja:

Korkearesoluutioiset kuvat