โครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล
| ส่วนหนึ่งของชุดบทความเกี่ยวกับ |
| จักรวาลวิทยาเชิงฟิสิกส์ |
|---|
โครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลเป็นคำที่ใช้ในจักรวาลวิทยาเพื่ออธิบายลักษณะการกระจายตัวของสสารในระดับจักรวาลที่สังเกตได้ทั้งหมด การสำรวจท้องฟ้า และการทำแผนที่ของแถบ ความยาวคลื่นต่างๆของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (โดยเฉพาะการปล่อยคลื่น 21 ซม. ) ได้ให้ข้อมูลมากมายเกี่ยวกับเนื้อหาและลักษณะของ โครงสร้าง จักรวาลการจัดระเบียบของโครงสร้างดูเหมือนจะเป็นไปตาม แบบจำลอง ลำดับชั้นโดยมีการจัดระเบียบจนถึงระดับของซูเปอร์คลัสเตอร์และฟิลาเมนต์ใหญ่กว่านี้ (ที่ระดับระหว่าง 30 ถึง 200 เมกะพาร์เซก) [ 1 ]ดูเหมือนจะไม่มีโครงสร้างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าจุดสิ้นสุดของความยิ่งใหญ่ [ 2 ] รูปร่างของโครงสร้างขนาดใหญ่สามารถสรุปได้ด้วยสเปกตรัมกำลังของสสาร
โครงข่ายจักรวาล: ผนัง เส้นใย จุดเชื่อมต่อ และช่องว่าง

การจัดระเบียบโครงสร้างอาจเริ่มต้นที่ระดับดาวฤกษ์ แม้ว่านักจักรวาลวิทยาส่วนใหญ่จะไม่ค่อยกล่าวถึงฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในระดับนั้น ก็ตาม ดาวฤกษ์ถูกจัดระเบียบเป็นกาแล็กซีซึ่งในทางกลับกันก็ก่อตัวเป็นกลุ่มกาแล็กซีกระจุกกาแล็กซีซูเปอร์คลัสเตอร์แผ่นผนัง และเส้นใยซึ่งถูกคั่นด้วยช่องว่าง ขนาดใหญ่ ทำให้เกิดโครงสร้างคล้ายฟองขนาดใหญ่[ 5 ]ซึ่งบางครั้งเรียกว่า "ใยจักรวาล" ก่อนปี 1989 เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่า กระจุกกาแล็กซี ที่สมดุลแล้วเป็นโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดที่มีอยู่ และกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งจักรวาลในทุกทิศทาง อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1980 เป็นต้นมา มีการค้นพบโครงสร้างมากขึ้นเรื่อยๆ ในปี 1983 เอเดรียน เว็บสเตอร์ ได้ระบุWebster LQGซึ่ง เป็น กลุ่มควาซาร์ขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยควาซาร์ 5 ดวง การค้นพบนี้เป็นการระบุโครงสร้างขนาดใหญ่ครั้งแรก และได้ขยายข้อมูลเกี่ยวกับการจัดกลุ่มของสสารที่รู้จักในจักรวาล
ในปี 1987 โรเบิร์ต เบรนต์ ทัลลีได้ระบุถึงกลุ่มซูเปอร์คลัสเตอร์ปลา-วาฬซึ่งเป็นเส้นใยกาแล็กซีที่กาแล็กซีทางช้างเผือกตั้งอยู่ มีขนาดประมาณ 1 พันล้านปีแสง ในปีเดียวกันนั้นเอง ได้มีการค้นพบพื้นที่ขนาดใหญ่ผิดปกติที่มีการกระจายตัวของกาแล็กซีต่ำกว่าค่าเฉลี่ยมาก นั่นคือ ไจแอนท์ วอยด์ซึ่งมีขนาด 1.3 พันล้านปีแสง จากข้อมูลการสำรวจการเลื่อนไปทางแดง ในปี 1989 มาร์กาเร็ต เกลเลอร์และจอห์น ฮูชราได้ค้นพบ " กำแพงเมืองจีน " [ 6 ]ซึ่งเป็นแผ่นกาแล็กซีที่มีความยาวมากกว่า 500 ล้านปีแสงกว้าง 200 ล้านปีแสง แต่หนาเพียง 15 ล้านปีแสง การมีอยู่ของโครงสร้างนี้ไม่เป็นที่สังเกตมานานมาก เนื่องจากต้องระบุตำแหน่งของกาแล็กซีในสามมิติ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการรวมข้อมูลตำแหน่งเกี่ยวกับกาแล็กซีเข้ากับข้อมูลระยะทางจากการเลื่อนไปทางแดง
สองปีต่อมา นักดาราศาสตร์ Roger G. Clowes และ Luis E. Campusano ค้นพบClowes–Campusano LQGซึ่งเป็นกลุ่มควาซาร์ขนาดใหญ่ที่มีความกว้างที่สุดถึงสองพันล้านปีแสง ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่รู้จักในจักรวาล ณ เวลาที่ประกาศ ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2546 ได้มีการค้นพบโครงสร้างขนาดใหญ่อีกแห่งหนึ่ง คือSloan Great Wallในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2550 ได้มีการตรวจพบช่องว่างขนาดใหญ่ที่เป็นไปได้ในกลุ่มดาวอีริดานัส [ 7 ] ซึ่งตรงกับ ' จุดเย็น CMB ' ซึ่งเป็นบริเวณเย็นในท้องฟ้าไมโครเวฟที่ไม่น่าจะเป็นไปได้สูงภายใต้แบบจำลองจักรวาลวิทยาที่นิยมในปัจจุบัน ช่องว่างขนาดใหญ่นี้อาจทำให้เกิดจุดเย็นได้ แต่ถ้าจะทำให้เกิดเช่นนั้น มันจะต้องมีขนาดใหญ่อย่างไม่น่าเชื่อ อาจจะกว้างถึงหนึ่งพันล้านปีแสง เกือบเท่ากับ Giant Void ที่กล่าวถึงข้างต้น

โครงสร้างขนาดใหญ่อีกแห่งหนึ่งคือ กลุ่ม กาแล็กซี SSA22 Protoclusterซึ่งเป็นกลุ่มกาแล็กซีและฟองก๊าซขนาดมหึมาที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 200 ล้านปีแสง
ในปี 2011 มีการค้นพบกลุ่มควาซาร์ขนาดใหญ่U1.11ซึ่งมีขนาดประมาณ 2.5 พันล้านปีแสง ในวันที่ 11 มกราคม 2013 มีการค้นพบกลุ่มควาซาร์ขนาดใหญ่อีกกลุ่มหนึ่งชื่อHuge-LQGซึ่งมีขนาดวัดได้ 4 พันล้านปีแสง นับเป็นโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดที่รู้จักในจักรวาลในขณะนั้น[ 8 ]ในเดือนพฤศจิกายน 2013 นักดาราศาสตร์ได้ค้นพบกำแพงยักษ์เฮอร์คิวลีส-โคโรนาโบเรียลิส [ 9 ] [ 10 ] ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ใหญ่กว่าเดิมถึงสองเท่า โดยกำหนดจากแผนที่ของการระเบิดรังสีแกมมา[ 9 ] [ 11 ]
ในปี 2021 สมาคมดาราศาสตร์อเมริกันประกาศการตรวจพบGiant Arcซึ่งเป็นกลุ่มกาแล็กซีรูปพระจันทร์เสี้ยวที่มีความยาว 3.3 พันล้านปีแสง ตั้งอยู่ห่างจากโลก 9.2 พันล้านปีแสงในกลุ่มดาวBoötesจากการสังเกตการณ์ที่บันทึกโดยSloan Digital Sky Survey [ 12 ]
จุดจบแห่งความยิ่งใหญ่
จุดสิ้นสุดของความยิ่งใหญ่ (The End of Greatness)เป็นชื่อที่ใช้เรียกช่วงการสังเกตการณ์ประมาณ 100 Mpc (ประมาณ 300 ล้านปีแสง) ซึ่งความไม่สม่ำเสมอที่เห็นในโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลจะถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและสมมาตรตามหลักการจักรวาลวิทยา [ 13 ] "ความไม่สม่ำเสมอ" นี้ถูกวัดปริมาณโดยการคำนวณ มิติ แฟรกทัลจากการสังเกตการณ์[ 14 ] [ 15 ]ซูเปอร์คลัสเตอร์และเส้นใยที่เห็นในการสำรวจขนาดเล็กจะถูกสุ่มไปจนถึงระดับที่การกระจายตัวที่ราบเรียบของจักรวาลนั้นปรากฏให้เห็นได้ชัดเจน จนกระทั่งการสำรวจการเลื่อนแดงในช่วงทศวรรษ 1990 เสร็จสมบูรณ์ จึงจะสามารถสังเกตช่วงนี้ได้อย่างแม่นยำ[ 2 ]
ข้อสังเกต

ตัวบ่งชี้โครงสร้างขนาดใหญ่อีกประการหนึ่งคือ ' ป่าไลแมน-อัลฟา ' ซึ่งเป็นกลุ่มของเส้นดูดกลืนที่ปรากฏในสเปกตรัมของแสงจากควาซาร์ซึ่งตีความได้ว่าบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของแผ่นก๊าซระหว่างกาแล็กซีขนาดใหญ่และบาง (ส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน ) แผ่นเหล่านี้ดูเหมือนจะยุบตัวลงเป็นเส้นใย ซึ่งสามารถป้อนกาแล็กซีขณะที่พวกมันเติบโต โดยที่เส้นใยจะตัดกันหรือมีความหนาแน่น หลักฐานโดยตรงในช่วงแรกสำหรับใยก๊าซจักรวาลนี้คือการตรวจจับในปี 2019 โดยนักดาราศาสตร์จาก RIKEN Cluster for Pioneering Research ในญี่ปุ่นและมหาวิทยาลัยเดอร์แฮมในสหราชอาณาจักร ของแสงจากส่วนที่สว่างที่สุดของใยนี้ ซึ่งล้อมรอบและส่องสว่างโดยกระจุกกาแล็กซีที่กำลังก่อตัว ทำหน้าที่เป็นไฟฉายจักรวาลสำหรับการเรืองแสงของไฮโดรเจนระหว่างกระจุกผ่านการปล่อยไลแมน-อัลฟา[ 17 ] [ 18 ]
ในปี 2021 ทีมงานนานาชาติที่นำโดย Roland Bacon จาก Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (ฝรั่งเศส) ได้รายงานการสังเกตการณ์ครั้งแรกของการปล่อย Lyman-alpha แบบกระจายตัวจาก redshift 3.1 ถึง 4.5 ซึ่งติดตามเส้นใยใยจักรวาลหลายเส้นในระดับ 2.5−4 cMpc (เมกะพาร์เซกเคลื่อนที่ร่วม) ในสภาพแวดล้อมที่เป็นเส้นใยนอกโครงสร้างขนาดใหญ่ทั่วไปของจุดเชื่อมต่อใยจักรวาล[ 19 ]
ต้องใช้ความระมัดระวังในการอธิบายโครงสร้างในระดับจักรวาล เพราะโครงสร้างเหล่านั้นมักแตกต่างจากที่ปรากฏการเลนส์ความโน้มถ่วงสามารถทำให้ภาพดูเหมือนมาจากทิศทางที่แตกต่างจากแหล่งกำเนิดจริง เมื่อวัตถุในฉากหน้าทำให้กาลอวกาศโดยรอบโค้งงอ (ตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนาย ไว้ ) และเบี่ยงเบนรังสีแสงที่ผ่านเข้ามา ในทางกลับกัน การเลนส์ความโน้มถ่วงที่รุนแรงบางครั้งสามารถขยายกาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไป ทำให้ตรวจจับได้ง่ายขึ้นการเลนส์ความโน้มถ่วงที่อ่อนแอโดยเอกภพที่อยู่ระหว่างกลางโดยทั่วไปก็เปลี่ยนแปลงโครงสร้างขนาดใหญ่ที่สังเกตได้อย่างละเอียดอ่อนเช่นกัน
โครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลจะดูแตกต่างออกไปหากใช้เพียงค่าการเลื่อนไปทางแดง (redshift) ในการวัดระยะทางไปยังกาแล็กซี ตัวอย่างเช่น กาแล็กซีที่อยู่ด้านหลังกระจุกกาแล็กซีจะถูกดึงดูดเข้าหาและเคลื่อนที่เข้าหา ทำให้เกิดการเลื่อนไปทางน้ำเงิน (blueshift ) (เมื่อเทียบกับกรณีที่ไม่มีกระจุกกาแล็กซี) ในขณะที่ด้านใกล้กว่านั้น วัตถุต่างๆ จะเลื่อนไปทางแดง ดังนั้น สภาพแวดล้อมของกระจุกกาแล็กซีจึงดูแคบลงหากใช้ค่าการเลื่อนไปทางแดงในการวัดระยะทาง ส่วนกาแล็กซีที่อยู่ภายในกระจุกกาแล็กซีจะมีผลตรงกันข้าม คือ กาแล็กซีเหล่านั้นมีการเคลื่อนที่แบบสุ่มรอบศูนย์กลางของกระจุก และเมื่อแปลงการเคลื่อนที่แบบสุ่มเหล่านี้เป็นค่าการเลื่อนไปทางแดง กระจุกกาแล็กซีจะปรากฏยาวขึ้น ทำให้เกิดภาพลวงตาที่เรียกว่า " นิ้วของพระเจ้า " ซึ่งเป็นภาพลวงตาของโซ่กาแล็กซีที่ยาวเหยียดชี้มายังโลก
ภูมิศาสตร์จักรวาลของบริเวณใกล้เคียงโลก
ที่ใจกลางของกระจุกกาแล็กซีไฮดรา-เซนทอรัสความผิดปกติทางแรงโน้มถ่วงที่เรียกว่า มหาแรงดึงดูด ( Great Attractor)ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของกาแล็กซีในบริเวณที่มีขนาดหลายร้อยล้านปีแสง กาแล็กซีเหล่านี้ทั้งหมดมีการเลื่อนไปทางแดง (redshift)ตามกฎของฮับเบิลซึ่งบ่งชี้ว่าพวกมันกำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากเราและจากกันและกัน แต่ความแปรผันของการเลื่อนไปทางแดงนั้นเพียงพอที่จะเปิดเผยการมีอยู่ของมวลที่รวมตัวกันเทียบเท่ากับกาแล็กซีหลายหมื่นกาแล็กซี
กาแล็กซีเกรตแอทแทรกเตอร์ (Great Attractor) ซึ่งถูกค้นพบในปี 1986 อยู่ห่างออกไปประมาณ 150 ล้านถึง 250 ล้านปีแสง ในทิศทางของกลุ่มดาวไฮดราและเซนทอรัส บริเวณใกล้เคียงมีกาแล็กซีขนาดใหญ่และเก่าแก่จำนวนมาก ซึ่งหลายแห่งกำลังชนกับกาแล็กซีข้างเคียง หรือแผ่คลื่นวิทยุออกมาในปริมาณมาก
ในปี พ.ศ. 2530 นักดาราศาสตร์R. Brent Tullyจากสถาบันดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยฮาวาย ได้ระบุสิ่งที่เขาเรียกว่า Pisces–Cetus Supercluster Complexซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีความยาว 1,000 ล้านปีแสงและกว้าง 150 ล้านปีแสง โดยเขาอ้างว่า Local Supercluster ฝังตัวอยู่ในโครงสร้างนี้[ 20 ]