Ava peamenüü

Tühimik

(Ümber suunatud leheküljelt Tühik (astronoomia))
Aine jaotumine Universumi kuubilises väljavõttes. Sinine kiudstruktuur esindab ainet (peamiselt tumedat ainet) ja tühjad piirkonnad kosmilisi tühimikke

Kosmilised tühimikud on suured tühja ruumi osad, mis sisaldavad väga vähe või üldse mitte galaktikaid. Nad paiknevad galaktikaliste filamentide vahel, mis on universumi kõige suuremad struktuuriüksused. Stephen Gregory ja Laird A. Thompson avastasid kosmilised tühimikud aastal 1978 oma uurimistöös.[1]

Kosmiliste tühimike tihedus on väiksem kui üks kümnendik vaadeldava universumi keskmisest tihedusest. Tühimikud, mis asuvad suurema tihedusega keskkonnas on väiksemad kui tühimikud, mis asuvad madala tihedusega universumi osades.[2] Tühimikute diameeter on tüüpiliselt 11–150 megaparsekit, eriliselt suuri tühimikke (mida nimetatakse ka "supertühimikeks") iseloomustab superparvede, väikestest galaktikagruppidest moodustunud suuremate rühmade puudumine.

Arvatakse, et tühimikud on Sachsi-Wolfe'i efekti kaudu seotud kosmilise mikrolaine-taustkiirgusega: gravitatsioonilise punanihke tõttu korreleeruvad universumi külmemad piirkonnad tühimikutega, soojemad piirkonnad filamentidega. Kuna Sachsi-Wolfe'i efekt kehtib vaid juhul, kui Universumis domineerib kiirgus või tumeenergia, on tühimikute olemasolu oluline tõendus tumeda energia olemasolule.[3]

Suuremastaabiline struktuurRedigeeri

Universumi struktuuri saab jagada komponentideks, mis aitavad kirjeldada erinevate piirkondade omadusi. Kosmilise võrgustiku peamised struktuurikomponendid on:

  • tühimikud – suured piirkonnad väga madala keskmise tihedusega, mille diameeter on tavaliselt suurem kui kümme megaparsekit;
  • tasand/sein – piirkonnad, mille tihedus on võrdne tüüpilise keskmise kosmilise tihedusega. Need saab omakorda jagada alamkomponentideks nagu
    • parved – väga tiheda kontsentratsiooniga piirkonnad, kus tasandid lõikuvad;
    • filamendid – tühimikke ühendavad niitjad moodustised tüüpilise pikkusega 50–80 megaparsekit.

Tegelikult pole tühimikute jaoks üldiselt aktsepteeritud ranget definitsiooni, kuid n-ö töödefinitsioonina kasutatakse tingimust, et tühimikute keskmine tihedus on väiksem kui üks kümnendik universumi keskmisest tihedusest. Tiheduse all mõeldakse galaktikate arvu ühikruumala kohta, mitte ühikulise ruumala kogumassi.[4]

Avastamine ja ajaluguRedigeeri

Kosmilised tühimikud muutusid astrofüüsikaliseks uurimisobjektiks 1970. aastatel, kui punanihete mõõtmine muutus populaarsemaks ning kaks sõltumatut astrofüüsikute uurimisrühma suutsid galaktikate jaotuses identifitseerida superparvede ja tühimikute olemasolu.[5] Punanihete mõõtmine tähendas astronoomias revolutsiooni seetõttu, et kosmilistele kaartidele sai lisada sügavuse ehk kaugusmõõdu. Senini olid käibel olnud vaid kosmiliste struktuuride kahedimensionaalsed kaardid, kus erineva kaugusega objektid olid projitseeritud mingile tinglikule ühtsele kaugusele, kuid nüüd sai universumi kaardistada kolmedimensionaalselt. Galaktika kauguse saab punanihkest arvutada Hubble'i seaduse põhjal, mis väidab, et vaadeldavate galaktikate punanihke suurus on võrdeline nende kaugusega vaatlejast.[6]

Ajaline järjestusRedigeeri

Kokkuvõte tähtsamatest sündmustest kosmiliste tühimikute avastamisest kuni tänapäevani:

  • 1961 – astronoomide tähelepanu alla satub "teist järku parv", spetsiifilist tüüpi superparv.[7]
  • 1978 – avaldati esimesed artiklid tühimikute kohta universumi suuremastaabilises struktuuris.[8][9]
  • 1981 – avastati suur tühimik taeva Bootesi regioonis, mille diameeter oli ligikaudu 50 megaparsekit (hilisemates arvutustes jõuti küll hoopis tulemuseni 34 megaparsekit).[10][11]
  • 1983 – ilmusid esimesed arvutisimulatsioonid, mis olid võimelised andma usaldusväärseid tulemusi universumi suuremastaabilise struktuuri tekkimise ja evolutsiooni kohta.[12][13]
  • 1985 – uuriti Perseuse-Piscese piirkonna superparvede ja tühimikute struktuuridetaile.[14]
  • 1989 – leiti, et universumi suuremastaabilist struktuuri domineerivad suured tühimikud, teravad filamendid ja neid ühendavad tasandid.[15]
  • 1991 – kinnitati tühimikute rohkust universumi suuremastaabilises struktuuris.[16]
  • 2001 – kosmiliste tühimikute andmebaasi lisati suur hulk uusi tühimikke.[17]
  • 2009 – viimase SDSS-i (Sloan Digital Sky Survey) andmed, kombineerituna varasemate makrostruktuuri vaatlustega, andsid siiani kõige detailseima ülevaate kosmilistest tühimikutest.[18]

LeidmismeetodidRedigeeri

Universumi suuremastaabilise struktuuri vaatlemise põhjal on tühimikute leidmiseks mitmeid meetodeid. Need kujutavad endast erinevaid algoritme, millest peaaegu kõik langevad ühte kolmest põhilisest kategooriast[19]: esimeses kategoorias on algoritmid, mis üritavad leida tühja ruumi lokaalse galaktika tiheduse põhjal[20], teises klassis on algoritmid, mis üritavad leida tühimikke tumeda aine jaotuse geomeetrilise struktuuri põhjal[21], ning kolmandas klassis algoritmid, mis identifitseerivad erinevaid struktuure dünaamiliselt, kasutades tumeda aine distributsioonis leiduvaid gravitatsiooniliselt ebastabiilseid punkte.[22] Kolm kõige populaarsemat tühimikute leidmise meetodit on toodud allpool.

Peetakse oluliseks, et leitud tühimikud vastaksid vigade piires ootustele, mille suuremastaabilise struktuuri simulatsioonid ja modelleerimine on seadnud.[23]

Algoritm VoidFinderRedigeeri

Esimest tüüpi meetod kontrollib iga kataloogis olevat galaktikat, kalkuleerides kosmilise tiheduse piirkonnas, mis jääb sellise sfääri sisse, mille raadius on määratud vahemaaga kauguselt kolmanda galaktikani. Seda meetodit tutvustati aastal 1997, et tühimikute kataloogi saaks kiirelt ja efektiivselt standardiseerida. Niimoodi saadud sfäärilised "rakud" eraldatakse ülejäänud struktuurist ning laiendatakse, kuni nende tihedus saab võrdseks oodatud keskmise tasandi tihedusega. Üks tühimikute häid omadusi on see, et nende piirid on selged ja hästi defineeritud; kui tühimiku keskel on kosmiline tihedus 10% keskmisest, siis äärtes kasvab see kiirelt 20%ni ja tasandis otse ääre taga 100%ni. Kui mingi tühimik kattub rohkem kui 10% osas teiste, juba teadaolevate tühimikutega, siis loetakse ta nende tühimikute alamregiooniks. Kataloogi kantakse tühimikud minimaalse raadiusega 10 megaparsekit, et vältida võimalikke statistilisi vigu.[24]

Algoritm ZOBOVRedigeeri

ZOBOV – ZOne Bordering On Voidness, tühjusega piirnev tsoon. See algoritm kasutab Voronoi tessellatsiooni tehnikat ja kategoriseerib universumi erinevaid piirkondi nende tiheduste kõrvutamise alusel. Neyrinck tutvustas seda algoritmi 2008. aastal eesmärgiga saada meetodit, mis ei sisaldaks vabu parameetreid ega eeldusi tesellatsiooni kuju kohta. Seega saab selle meetodi abil täpsemaid andmeid tühimikute suuruse ja kuju kohta. Neile eelistele vaatamata on algoritmi süüdistatud ka kehvasti defineeritud tulemuste andmises: vabade parameetrite puudumine tähendab ühtlasi seda, et leida on võimalik vaid väikeseid ja triviaalseid tühimikke. Et vähendada mittetriviaalsete tühimikute leidmist, rakendatakse füüsikalise tähtsuse parameetrit, mille jaoks võetakse minimaalse ja keskmise tiheduse suhe vähemalt üks viiele. Selle meetodiga saab avastada ka alamtühimikke ning see on tõstatanud filosoofilisi küsimusi selle kohta, mis asjad täpselt on tühimikud.[25]

Algoritm DIVARedigeeri

DIVA – DynamIcal Void Analysis, tühimiku dünaamiline analüüs. See meetod erineb drastiliselt kahest eelmisest. Kõige üllatavam aspekt on see, et kasutatakse tühimiku teistsugust definitsiooni: tühimik ei ole mitte ruumiosa väikese kosmilise tihedusega või auk galaktikate jaotuses, vaid piirkond, millest aine "põgeneb" vastavalt tumeda energia olekuvõrrandile. Tühimikute tsentrid arvatakse olevat nihkevälja põhiliseks allikaks. Põhjuse teistsuguse definitsiooni kasutamiseks esitasid Lavaux ja Wandelt 2009. aastal selleks, et tühimikute dünaamilisi ja geomeetrilisi omadusi saaks analüütiliselt täpselt kalkuleerida. See tähendab näiteks, et DIVA abil saab uurida tühimikute elliptilisust ja nende arengut suuremastaabilises struktuuris. See omakorda on viinud kolme erinevat tüüpi tühimikute klassifikatsioonini: õiged tühimikud, pannkooktühimikud ja filamenttühimkud. Kuigi sarnaselt esimest klassi meetoditega sisaldab DIVA statistilist viga, loetakse ta palju usaldusväärsemaks, kuna viga saab täpsemini kalibreerida. Siiski on ka sel meetodil puudusi, näiteks on selle abil leitud tühimikke keeruline võrrelda teiste meetodite abil leitud tühimikega.[19]

Tühimike tähtsusRedigeeri

Tühimike teaduslikud rakendusalad on laiad ja muljetavaldavad, näiteks aitavad nad mõista tumeda energia olemust ja täpsustada kosmoloogilise evolutsiooni mudeleid.

Tumeda energia olekuvõrrandRedigeeri

Tühimikud käituvad universumis nagu mullid, mis ümbritseva suhtes tundlikud on: tühimiku kuju on määratud suuresti universumi paisumisega. Kuna paisumise kiirenemise põhjuseks loetakse tumedat ainet, siis uurides tühimiku kuju muutusi ajas, saame täpsustada tumeda energia olekuvõrrandit.[26]

Galaktikate tekkimise ja evolutsiooni mudelidRedigeeri

Kosmilised tühimikud sisaldavad segu galaktikatest ja ainest, mis on pisut erinev universumi teistest piirkondadest. See unikaalne segu toetab sellist arusaama galaktikate tekkimisest, mida ennustab Gaussi adiabaatilise külma tumeda aine mudel.[27]

Gravitatsioonilised teooriadRedigeeri

Tühimikute füüsika paistab tihti järgivat selliseid kosmoloogiliste parameetrite väärtusi, mis ülejäänud universumi jaoks on teistsugused. Seetõttu saab tühimikke kasutada kui laboreid, kus uurida gravitatsioonilistest kokkutõmbumistest tekkivaid efekte lokaalsetes galaktikates.[28]

ViitedRedigeeri

  1. Freedman, R.A., & Kaufmann III, W.J. (2008). Stars and galaxies: Universe. New York City: W.H. Freeman and Company.
  2. U. Lindner, J. Einasto, M. Einasto, W. Freudling, K. Fricke, E. Tago (1995). The Structure of Supervoids I: Void Hierarchy in the Northern Local Supervoid "The structure of supervoids. I. Void hierarchy in the Northern Local Supervoid". Astron. Astrophys. 301: 329. arXiv:bibcode = 1995A&A...301..329L astro-ph/9503044 bibcode = 1995A&A...301..329L . 
  3. Granett, B. R.; Neyrinck, M. C.; Szapudi, I. (2008). "An Imprint of Superstructures on the Microwave Background due to the Integrated Sachs-Wolfe Effect". Astrophysical Journal 683 (2): L99–L102. arXiv:0805.3695. doi:10.1086/591670 bibcode=2008ApJ...683L..99G . 
  4. Neyrinck, Mark C. (29.02.2008). "ZOBOV: a parameter-free void-finding algorithm". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (ArXiv) 386 (4): 2101–2109. arXiv:0712.3049. doi:10.1111/j.1365-2966.2008.13180.x bibcode = 2008MNRAS.386.2101N . 
  5. Jõeveer, M.; Einasto, J. (1978). M.S. Longair & J. Einasto, toim. The Large Scale Structure of the Universe. Dordrecht: Reidel. p. 241. 
  6. Rex, Andrew F.; Bennett, Jeffrey O.; Donahue, Megan; Nicholas Schneider, Mark Voit (1. detsember 1998). The Cosmic Perspective. Pearson College Division. p. 602. ISBN 9780201473995. Vaadatud 4. mai 2014. 
  7. Abell, George O. (1961). "Evidence regarding second-order clustering of galaxies and interactions between clusters of galaxies". The Astronomical Journal 66: 607. ISSN 0004-6256. doi:10.1086/108472 bibcode = 1961AJ.....66..607A . 
  8. Gregory, S. A.; L. A. Thompson (1978). "The Coma/A1367 supercluster and its environs". The Astrophysical Journal 222: 784. ISSN 0004-637X. doi:10.1086/156198 bibcode = 1978ApJ...222..784G . 
  9. Joeveer, Einasto and Tago 1978, Dordrecht, N/A, 241.
  10. Kirshner, R. P.; A., Jr. Oemler, P. L. Schechter, S. A. Shectman (1981). "A million cubic megaparsec void in Bootes". The Astrophysical Journal 248: L57. ISSN 0004-637X. doi:10.1086/183623 bibcode = 1981ApJ...248L..57K . 
  11. Kirshner, Robert P.; Augustus, Jr. Oemler, Paul L. Schechter, Stephen A. Shectman (1987). "A survey of the Bootes void". The Astrophysical Journal 314: 493. ISSN 0004-637X. doi:10.1086/165080 bibcode = 1987ApJ...314..493K . 
  12. Merlott, A. L. (november 1983). "Clustering velocities in the adiabatic picture of galaxy formation". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 205: 637–641. ISSN bibcode=1983MNRAS.205..637M 0035-8711 bibcode=1983MNRAS.205..637M . 
  13. Frenk, C. S.; S. D. M. White; M. Davis (1983). "Nonlinear evolution of large-scale structure in the universe". The Astrophysical Journal 271: 417. ISSN 0004-637X. doi:10.1086/161209 bibcode = 1983ApJ...271..417F . 
  14. Giovanelli, R.; M. P. Haynes (1985). "A 21 CM survey of the Pisces-Perseus supercluster. I - The declination zone +27.5 to +33.5 degrees". The Astronomical Journal 90: 2445. ISSN 0004-6256. doi:10.1086/113949 bibcode = 1985AJ.....90.2445G . 
  15. Geller, M. J.; J. P. Huchra (1989). "Mapping the Universe". Science 246 (4932): 897–903. ISSN 0036-8075. PMID bibcode = 1989Sci...246..897G 17812575 bibcode = 1989Sci...246..897G . doi:10.1126/science.246.4932.897. 
  16. Kirshner, 1991, Physical Cosmology, 2, 595.
  17. Colless, Matthew; Dalton, G. B.; Maddox, S. J.; Sutherland, W. J.; Norberg, P.; Cole, S.; Bland-Hawthorn, J.; Bridges, T. J.; Cannon, R. D.; Collins, C. A.; J Couch, W.; Cross, N. G. J.; Deeley, K.; DePropris, R.; Driver, S. P.; Efstathiou, G.; Ellis, R. S.; Frenk, C. S.; Glazebrook, K.; Jackson, C. A.; Lahav, O.; Lewis, I. J.; Lumsden, S. L.; Madgwick, D. S.; Peacock, J. A.; Peterson, B. A.; Price, I. A.; Seaborne, M.; Taylor, K. (2001). "The 2dF Galaxy Redshift Survey: Spectra and redshifts". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 328 (4): 1039. arXiv:astro-ph/0106498. doi:10.1046/j.1365-8711.2001.04902.x bibcode = 2001MNRAS.328.1039C . 
  18. Abazajian, K.; for the Sloan Digital Sky Survey; Agüeros, Marcel A.; Allam, Sahar S.; Prieto, Carlos Allende; An, Deokkeun; Anderson, Kurt S. J.; Anderson, Scott F.; Annis, James; Bahcall, Neta A.; Bailer-Jones, C. A. L.; Barentine, J. C.; Bassett, Bruce A.; Becker, Andrew C.; Beers, Timothy C.; Bell, Eric F.; Belokurov, Vasily; Berlind, Andreas A.; Berman, Eileen F.; Bernardi, Mariangela; Bickerton, Steven J.; Bizyaev, Dmitry; Blakeslee, John P.; Blanton, Michael R.; Bochanski, John J.; Boroski, William N.; Brewington, Howard J.; Brinchmann, Jarle; Brinkmann, J.; Brunner, Robert J. (2008). "The Seventh Data Release of the Sloan Digital Sky Survey". The Astrophysical Journal Supplement Series 182 (2): 543–558. arXiv:0812.0649. doi:10.1088/0067-0049/182/2/543. 
  19. 19,0 19,1 Lavaux, Guilhem; Wandelt, Benjamin D. (2009). "Precision cosmology with voids: Definition, methods, dynamics". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 403 (3): 403–1408. arXiv:0906.4101. doi:10.1111/j.1365-2966.2010.16197.x bibcode = 2010MNRAS.403.1392L . 
  20. Hoyle, Fiona; Vogeley, Michael S. (2001). "Voids in the PSCz Survey and the Updated Zwicky Catalog". The Astrophysical Journal 566 (2): 641–651. arXiv:astro-ph/0109357. doi:10.1086/338340 bibcode = 2002ApJ...566..641H . 
  21. Colberg, Joerg M.; Sheth, Ravi K.; Diaferio, Antonaldo; Gao, Liang; Yoshida, Naoki (2004). "Voids in a $Λ$CDM Universe". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 360 (2005): 216–226. arXiv:astro-ph/0409162v2. doi:10.1111/j.1365-2966.2005.09064.x bibcode = 2005MNRAS.360..216C . 
  22. Hahn, Oliver; Porciani, Cristiano; Marcella Carollo, C.; Dekel, Avishai (2006). "Properties of Dark Matter Haloes in Clusters, Filaments, Sheets and Voids". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 375 (2): 489–499. arXiv:astro-ph/0610280. doi:10.1111/j.1365-2966.2006.11318.x bibcode = 2007MNRAS.375..489H . 
  23. Pan, 2011, Dissertation Abstracts International, 72, 77.
  24. El-Ad, Hagai; Piran, Tsvi (1997). "Voids in the Large-Scale Structure". The Astrophysical Journal 491 (2): 421. arXiv:astro-ph/9702135. doi:10.1086/304973 bibcode = 1997ApJ...491..421E . 
  25. Neyrinck, Mark C. (2007). "ZOBOV: A parameter-free void-finding algorithm". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 386 (4): 2101–2109. arXiv:0712.3049. doi:10.1111/j.1365-2966.2008.13180.x bibcode = 2008MNRAS.386.2101N . 
  26. Lee, Jounghun; Park, Daeseong (2007). "Constraining the Dark Energy Equation of State with Cosmic Voids". The Astrophysical Journal 696: L10–L12. arXiv:0704.0881. doi:10.1088/0004-637X/696/1/L10 bibcode = 2009ApJ...696L..10L . 
  27. Peebles, P. J. E. (2001). "The Void Phenomenon". The Astrophysical Journal 557 (2): 495–504. arXiv:astro-ph/0101127. doi:10.1086/322254 bibcode = 2001ApJ...557..495P . 
  28. Goldberg, David M.; Vogeley, Michael S. (12.12.2003). "Simulating Voids". The Astrophysical Journal 605: 1–6. arXiv:astro-ph/0307191. doi:10.1086/382143 bibcode = 2004ApJ...605....1G .