Tyhjiö (tähtitiede)

Kosmiset tyhjiöt ovat valtavia galaksisäikeiden (jotka ovat maailmankaikkeuden suurimpia rakenteita) väliin jääviä alueita, jotka sisältävät galakseja hyvin vähän tai eivät lainkaan. Tyhjiöt ovat tyypillisesti halkaisijaltaan kymmenestä sataan megaparsekia. Erityisen suuria tyhjiöitä, jotka jäävät materiarikkaiden superjoukkojen väliin, kutsutaan usein supertyhjiöiksi. Niissä on vähemmän kuin kymmenesosa siitä keskimääräisestä materiarikkaudesta, joka lasketaan tyypilliseksi maailmankaikkeudessamme. Ne havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1978 Stephen Gregoryn ja Laird A. Thompsonin uraauurtavassa tutkimuksessa Kitt Peak National Observatoryssa.

Tyhjiöiden uskotaan muodostuneen alkuräjähdyksessä,  tiiviin baryonisen aineen imploosiosta, alkaen pienistä kvanttivaihtelun anisotropioista varhaisessa maailmankaikkeudessa. Nämä anisotropiat kasvoivat suuremmiksi ajan myötä. Korkeamman tiheyden omaavat maailmankaikkeuden alueet luhistuivat nopeammin painovoiman alla, lopulta johtaen laajamittaiseen, vaahtomaiseen tyhjiöiden ja galaksimuurien "kosmiseen verkkoon", minkä nykypäivänä pystyy näkemään. Tyhjiöt, jotka sijaitsevat korkeamman tiheyden omaavilla alueilla ovat pienempiä kuin tyhjiöt, jotka sijaitsevat matalamman tiheyden omaavilla alueilla.

Tyhjiöt näyttävät korreloivan kosmisen taustasäteilyn havaitun lämpötilan kanssa Sachs–Wolfe-ilmiön vuoksi. Kylmemmät alueet korreloivat tyhjiöiden kanssa ja lämpimämmät galaksisäikeiden kanssa johtuen gravitaatiollisesta punasiirtymästä. Koska Sachs–Wolfe-vaikutus on merkittävä ainoastaan, jos maailmankaikkeutta hallitsee säteily tai pimeä energia, tyhjiöt on merkittäviä tekijöitä fyysisien todisteiden tarjoamisessa pimeästä energiasta.

Suuren mittakaavan rakenne 

Maailmankaikkeutemme rakenteet voidaan hajottaa osiin, mikä voi helpottaa yksittäisten eri kosmoksen alueiden piirteiden kuvailua. Nämä ovat kosmisen verkon pääkomponentit:

 Tyhjiöt – laajoja, usein ympyränmuotoisia alueita erittäin matalilla keskimääräisillä tiheyksillä, halkaisijoiltaan jopa 100 megaparsekia (Mpc).
 Muurit – alueita, joissa tyypillinen materiarikkauden tiheys on normaali. Muurit voidaan hajottaa vielä kahteen pienempään rakenteelliseen osaan:
 Galaksijoukot – korkeatiheyksisiä alueita, joissa muurit kohtaavat ja risteävät, lisäten paikallisen muurin tosiasiallista kokoa.
 Säikeet – haarautuvia muurialueita jotka voivat ulottua kymmenien megaparsekien pituisiksi.

Tyhjiöiden keskimääräinen tiheys on vähemmän kuin kymmenesosa maailmankaikkeuden tavallinen tiheys. Tämä toimii usein määritelmänä kosmiselle tyhjiölle vaikkakaan tyhjiölle ei olekaan mitään yksittäistä hyväksyttyä ja tarkkaa määritelmää. Maailmankaikkeuden keskimääräinen aineen tiheyden arvio perustuu usein pikemminkin galaksien lukumäärään eikä aineen kokonaistiheyteen tilavuusyksikössä.

Historia 
Kosmiset tyhjiöt astrofysiikan tutkimisaiheena alkoi 1970-luvun puolivälissä kun punasiirtymiä alettiin tutkia tarkemmin, mikä johti vuonna 1978 kahden erillisen astrofyysikkoryhmän löytämään ja tunnistamaan superjoukkoja ja tyhjiöitä galaksien levittäytymisessä avaruudessa. Uudet punasiirtymätutkimukset mullistivat tähtitieteen alana lisäten syvyyttä kaksiulotteisiin karttoihin maailmankaikkeuden rakenteista, jotka olivat ennen usein tiheästi pakattuja ja päällekkäisiä, mahdollistaen ensimmäisen kolmiulotteisen kartan maailmankaikkeudesta. Punasiirtymätutkimuksissa syvyys laskettiin galaksien yksittäisistä punasiirtymistä, jotka johtuvat maailmankaikkeuden laajenemisesta Hubblen lain mukaan.

Aikajana 

 1961 – Suuren kokoluokan rakenneosat kuten nk. "toisen asteen joukot", joka on erityinen superjoukkojen tyyppi, tuotiin astronomisen yhteisön huomioon.
 1978 – Ensimmäiset kaksi tutkielmaa tyhjiöistä suuren kokoluokan rakenteissa julkaistiin mainiten tyhjiöt, jotka löydettiin Coma/A1367-joukkojen etualalla.
 1981 – Suuri, halkaisijaltaan 50 h−1 Mpc:n tyhjiö Karhunvartijan alueelta löydettiin. (Tyhjiön koko myöhemmin laskettiin uudestaan 34 h−1 Mpc:ksi).
 1983 – Tietokonesimulaatioita, jotka olivat tarpeeksi hienostuneita antamaan suhteellisen luotettavia tuloksia suuren mittakaavan rakenteesta, syntyi ja antoi syvempää ymmärrystä suuren luokan galaksilevinneisyydestä.
 1985 – Yksityiskohtia superjoukko- ja tyhjiörakenteesta Perseuksen-Kalojen alueesta tutkittiin.
 1989 – Astrofysiikan Keskuksen Punasiirtymäkartoitus paljasti, että suuret tyhjiöt, terävät säikeet ja muurit, jotka ympäröivät niitä dominoivat maailmankaikkeuden suuren luokan rakennetta.
 1991 – Las Campanas -punasiirtymätutkimus varmisti maailmankaikkeuden suuren luokan rakenteen tyhjiörikkauden (Kirshner ja muut 1991).
 1995 – Optisesti valitut galaksikartoitukset osoittivat, että sama määrä tyhjiöitä löytyy riippumatta otoksen koosta.
 2001 – Kaksiasteinen yksittäisten galaksien punasiirtymäkartoitus lisäsi merkittävän suuren määrän tyhjiöitä tunnettujen kosmisten tyhjiöiden tietokantaan.
 2009 – Sloan Digital Sky Surveyn (SDSS) tieto yhdistettynä edellisiin suuren mittaluokan tutkimuksiin tarjoaa nyt kaikista täydellisimmän näkymän yksityiskohtaisesta kosmisten tyhjiöiden rakenteesta

Löytämiskeinot 
On olemassa useita tapoja löytää tyhjiöitä suuren mittaluokan universumikartoituksilla. Monista erilaisista algoritmeista kuitenkin lähes kaikki voidaan jakaa kolmeen yleiseen luokkaan. Ensimmäinen luokka koostuu "tyhjiöetsijöistä", jotka yrittävät löytää tyhjiä alueita avaruudesta perustuen paikalliseen galaksitiheyteen. Toisessa luokassa ovat ne, jotka yrittävät löytää tyhjiöitä pimeän aineen geometristen rakenteiden levinneisyyden kautta, galaksien viittaamana. Kolmas luokka koostuu niistä etsijöistä, jotka tunnistavat rakenteita dynaamisesti käytämällä gravitatiivisesti epävakaita pisteitä pimeän aineen distribuutiossa.

Merkitys 
Tyhjiöt ovat vaikuttaneet merkittävästi nykyaikaiseen käsitykseen maailmankaikkeudesta sovelluksilla, jotka vaihtelevat pimeää energiaa valottavista kosmologista evoluutiota jalostaviin ja rajoittaviin.

Pimeä energia 
Suurimpien tunnettujen tyhjiöjen ja galaksijoukkojen samanaikainen olemassaolo vaatii noin 70 % pimeää energiaa maailmankaikkeudessa nykyään, mikä vastaa viimeisimpiä tietoja kosmisesta mikroaaltotaustasta.
Tyhjät toimivat universumissa kuplina, jotka ovat herkkiä taustakosmologisille muutoksille. Tämä tarkoittaa, että tyhjiön muodon kehittyminen on osittain seurausta maailmankaikkeuden laajenemisesta. Koska tämän kiihtyvyyden uskotaan johtuvan pimeästä energiasta, ontelon muodon muutosten tutkimista tietyn ajanjakson aikana voidaan käyttää rajoittamaan standardia ΛCDM-mallia tai jalostamaan edelleen Quintessence + Cold Dark Matter -menetelmää. QCDM) malli ja antaa tarkemman pimeän energian tilayhtälön. Lisäksi tyhjien runsaus on lupaava tapa rajoittaa pimeän energian tilayhtälöä.

Neutriinot 
Neutriinot, johtuen niiden erittäin pienestä massasta ja erittäin heikosta vuorovaikutuksesta muiden aineiden kanssa, virtaavat vapaasti sisään ja ulos tyhjistä tiloista, jotka ovat pienempiä kuin neutriinojen keskimääräinen vapaa reitti. Tällä on vaikutusta onteloiden kokoon ja syvyysjakaumaan, ja sen odotetaan mahdollistavan tulevien tähtitieteellisten tutkimusten (esim. Euclid-satelliitti) avulla kaikkien neutriinolajien massojen summan mittaamisen vertaamalla tyhjien näytteiden tilastollisia ominaisuuksia. teoreettiset ennusteet.

Galaktinen muodostuminen ja evoluutiomallit 

Kosmiset tyhjiöt sisältävät sekoituksen galakseja ja ainetta, joka on hieman erilainen kuin muut maailmankaikkeuden alueet. Tämä ainutlaatuinen sekoitus tukee puolueellista galaksimuodostuskuvaa, joka on ennustettu Gaussin adiabaattisissa kylmän pimeän aineen malleissa. Tämä ilmiö tarjoaa mahdollisuuden muokata morfologia-tiheyskorrelaatiota, jolla on eroja näiden tyhjien tilojen kanssa. Sellaiset havainnot, kuten morfologia-tiheyskorrelaatio, voivat auttaa paljastamaan uusia puolia galaksien muodostumisesta ja kehittymisestä suuressa mittakaavassa. Paikallisemmassa mittakaavassa onteloissa sijaitsevilla galakseilla on erilaiset morfologiset ja spektriominaisuudet kuin seinissä sijaitsevilla galakseilla. Eräs havaittu piirre on se, että onteloiden on osoitettu sisältävän huomattavasti enemmän nuorten, kuumien tähtien tähtipurkauksia, verrattuna seinissä oleviin galaksinäytteisiin.

Tyhjiöt tarjoavat mahdollisuuksia tutkia galaktisten välisten magneettikenttien voimakkuutta. Esimerkiksi vuonna 2015 julkaistu tutkimus päättelee tyhjiöiden läpi kulkevien blasaari-gammasäteilyn taipumiseen perustuen, että galaksien välinen avaruus sisältää magneettikentän, jonka voimakkuus on vähintään 10 G. Universumin erityinen suuren mittakaavan magneettinen rakenne viittaa alkukantaiseen "magnetogeneesiin", joka puolestaan on voinut vaikuttaa magneettikenttien muodostumiseen galaksien sisällä ja saattaa myös muuttaa arvioita rekombinaation aikajanasta.  varhaisessa universumissa.

Suunnasta riippuvat poikkeukset 
Kylmät täplät kosmisella mikroaaltotaustalla, kuten Wilkinson Microwave Anisotropy Proben löytämä WMAP-kylmä piste, voidaan mahdollisesti selittää erittäin suurella kosmisella tyhjiöllä, jonka säde on ~120 Mpc, kunhan myöhään integroitu Sachs-Wolfe-efekti huomioitu mahdollisessa ratkaisussa. Poikkeavuuksia CMB-seulontatutkimuksissa selitetään nyt mahdollisilla suurilla tyhjiöillä, jotka sijaitsevat kylmien pisteiden näkyvyyden alapuolella.

Laajennus 
Vaikka pimeä energia on tällä hetkellä suosituin selitys maailmankaikkeuden kiihtyvälle laajenemiselle. Toinen teoria käsittelee mahdollisuutta, että galaksimme on osa erittäin suurta ei niin alitiivistä kosmista tyhjyyttä. Tämän teorian mukaan tällainen ympäristö voisi naiivisti johtaa pimeän energian kysyntään ongelman ratkaisemiseksi havaitun kiihtyvyyden kanssa. Koska aiheesta on julkaistu lisää tietoja, mahdollisuudet, että se on realistinen ratkaisu nykyisen ΛCDM-tulkinnan tilalle, ovat suurelta osin pienentyneet, mutta niitä ei ole kokonaan luovuttu.

Gravitaatioteoriat
Tyhjiöiden runsaus, erityisesti yhdistettynä galaksijoukkojen runsauden kanssa, on lupaava menetelmä yleisestä suhteellisuusteoriasta poikkeamien tarkkuustesteissä suuressa mittakaavassa ja pienitiheyksisillä alueilla.

Tyhjiöiden sisäosat näyttävät usein noudattavan kosmologisia parametreja, jotka eroavat tunnetun universumin vastaavista [viittaus tarvitaan]. Tämän ainutlaatuisen ominaisuuden ansiosta kosmiset tyhjiöt tarjoavat upeita laboratorioita tutkimaan gravitaatioklustereiden ja kasvunopeuksien vaikutuksia paikallisiin galakseihin ja rakenteisiin, kun kosmologisilla parametreilla on erilaiset arvot kuin universumin ulkopuolella. Johtuen havainnosta, että suuremmat tyhjiöt pysyvät pääasiassa lineaarisessa järjestelmässä, ja useimmat sisällä olevat rakenteet osoittavat pallomaista symmetriaa alitiheässä ympäristössä; toisin sanoen alitiheys johtaa lähes merkityksettömiin hiukkasten ja hiukkasten gravitaatiovuorovaikutuksiin, joita muuten esiintyisi normaalin galaktisen tiheyden alueella. Tyhjiöiden testausmallit voidaan suorittaa erittäin suurella tarkkuudella. Kosmologiset parametrit, jotka eroavat näissä tyhjiöissä, ovat Ωm, ΩΛ ja H0.

Katso myös 
 Havaittavissa oleva maailmankaikkeus
 Karhunvartijan tyhjiö
 Galaksi

Lähteet

Aiheesta muualla 
 Cosmicvoids.net 
 Animoitu näkymät onteloita ja niiden jakelu  alkaen Hume Feldman Sergei Shandarin, Dept. Fysiikan ja Tähtitieteen, University of Kansas, Lawrence, KS, YHDYSVALLAT.
 Visualisointi Lähellä olevien Suurten Rakenteiden Fairall, A. P., Paverd, W. R., & Ashley, R. P.
 Hierarkkinen rakenne ja dynamiikka onteloita  arXiv:1203.0248

Tähtitiede