Det tidlige univers var et ekstraordinært sted – en voksende ”ildkugle”, der var langt mere ensartet end den blå farve på himlen den klareste dag. Det tidlige univers var meget forskellig, fra det univers som astronomerne observerer i dag. Nutidens univers er ikke glat og ensartet; det indeholder galakser og stjerner. Hvordan gik universet fra sin relative glatte begyndelse til den struktur, der observeres i dag?
Lige som stjerner og skyer af glødende gas, afslører Mælkevejens struktur, indikerer fordelingen af galakserne, universets struktur. Og lige som det er tyngdekraften der holder galakserne sammen, og giver dem deres form, er det tyngdekraften der former de større strukturer. De fleste galakser er tyngdemæssigt bundet i grupper (se figur 22.1). Større tyngdebundne systemer af galakser, kaldet galaksehobe, kan bestå af tusindvis af galakser, ofte med en mere regelmæssig struktur, end den der findes i galaksegrupper. Galaksehobe er større end grupper, der typisk har et volumen på 2-10 Mpc i diameter. Den Lokale Gruppe, der indbefatter Mælkevejs- og Andromedagalakserne, har en diameter på cirka 3 Mpc. Den ligger i nærheden af to store hobe: Virgo-hoben og Coma-hoben.
Ligesom galaksegrupper, indeholder galaksehobe langt flere dværggalakser end kæmpegalakser. Imidlertid er størstedelen af stjernernes masse i galaksehobe, bosiddende i kæmpegalakserne. Hertil kommer, at selvom spiralgalakser er almindelige i de fleste hobe, forekommer elliptiske galakser som den hyppigste type, i omkring en fjerdedel af galaksehobene. Virgo-hoben (se figur 22.2), som ligger 16,5 Mpc fra den Lokale Gruppe, er et eksempel på en hob, der hovedsagelig indeholder spiralgalakser. Den fjernere Coma-hob (se figur 19.26), domineres af kæmpemæssige elliptiske galakser og S0-galakser.
Hobe og grupper af galakser, samles med hinanden, og danner kæmpemæssige superhobe, der indeholder titusinder eller endog hundred vis af titusinder af galakser, og spænder over områder i rummet, der typisk overstiger 30 Mpc. Den Lokale Gruppe er en del af Virgo Superhoben, der også omfatter Virgo-hoben.
Kortlægning af universet
Hubbles lov er et nyttigt værktøj til kortlægning af fordelingen af galakser, grupper, hobe og superhobe i rummet. Ved hjælp af denne lov, estimerer astronomerne afstanden til en galakse, ved at måle rødforskydningen af galaksens spektrum. De første rødforskydninger blev målt fra spektre optaget på fotografiske plader, hvilket krævede eksponeringer på flere timer for at opfange deres svage signal. I 1975 havde astronomerne kun dokumenteret rødforskydninger for omkring tusind af de flere hundrede milliarder observerbare galakser. I dag, bruger astronomerne større teleskoper med elektroniske detektorer og spektrograferm der er i stand til at observere mange galakser på en gang, sammen med mere kraftfulde computere til indsamling og analysering af dataene, til at måle rødforskydningen for millioner af galakser. Den første store rødforskydningsmåling, undersøgte kun det lokale rum, men senere undersøgelser kigger meget længere. Disse undersøgelser, er blevet anvendt til at illustrere en skive af universet (se figur 22.3). Observationerne viser at hobe og superhobe af galakser, i stedet for at svære spredt tilfældigt gennem rummet, er forbundet i et indviklet spind af filamenter og ”vægge”. Koncentrationerne af galakser omgives omvendt, af store tomrum, områder af rummet, der stort set er tomme fro galakser. Disse tomrum repræsenterer nogle af de største ”strukturer” der er set i universet; de er hovedsageligt tomme for observerbare galakser, men de kan indeholde mørkt stof, såvel som normalt stof, som aldrig er blevet observeret. Hobe og superhobe, er placeret inden for væggene og filamenterne. Sloan Digital Sky Survey (SDSS), inkluderer Sloan Great Wall, en række galakser 400 millioner Mpc lang (se figur 22.3b). Lige så langt som observationerne kan måle, har universet en porøs struktur meget lig en svamp. Sammen bliver galakserne og de større grupperinger hvori de findes, kaldet for universets storskalastruktur. Figur 22.4, viser nogle af disse største strukturer; superhobe og vægge.
Den særegne hastighed for en galakse, er dens bevægelse i forhold til KMB’en (se kapitel 18). Observationer af den særegne hastighed, afslører massedistributionen nær den galakse. For eksempel, blev den Lokale Gruppes særegne hastighed oprindeligt tilskrevet den Store Tiltrækker (The Great Attractor), der har en masse der er flere tusinde gange Mælkevejens masse, og som ligger omkring 75 Mpc væk. Nyere røntgenobservationer førte til opdagelsen af Shapley Superhoben, en mere massiv superhob, der befinder sig 125 Mpc væk på den anden side af den Store Tiltrækker. Disse to store strukturer, udøver et tyngdemæssigt træk på den Lokale Gruppe, og accelererer galakserne i den, herunder Mælkevejen (se figur 22.5).
Særegne hastigheder for grupper, hobe og superhobe, kortlægger den lokale fordeling af masse i disse strukturer. For at adskille den særegne hastighed fra hastigheden forårsaget af rummets ekspansion, skal en astronom kunne opnå afstanden til en galakse, ved en metode der er uafhængig af Hubbles lov. Hubbles lov bruges derefter til at finde ekspansionshastigheden der passer til denne afstand. Derefter sammenlignes ekspansionshastigheden med den målte hastighed for galaksen. Forskellen mellem de to målinger, er den særegne hastighed.
Mørkt stof dominerer massen i galaksegrupper og –hobe
Ligesom mørkt stof dominerer galakser, dominerer det også galaksegrupper og –hobe. Astronomer kan udlede dette på flere måder. De kan se på bevægelsen af en lille satellitgalakse, der kredser om den centrale dominerende galakse i hoben, og kan anslå massen inden for dette kredsløb (se Matematiske Værktøjer 22.1), på samme måde som de måler mørkt stof i spiralgalakser. Eller de kan se på bevægelserne af alle galakserne i en hob, og beregne hvor stærk tyngdekraft der skal være til stede, for at holde hoben sammen. Og igen er konklusionen, at den samlede masse af hobene, herunder mørkt stof, skal være omkring 8-10 gange større end det normalt lysende stof, som de indeholder.
Et andet bevis for mørkt stof er, at rummet mellem galakserne i en hob, er fyldt med ekstrem varmt gas, der er 10-100 millioner kelvin (se figur 22.6). Selvom denne gas er af ekstrem lav densitet, er rummets omfang enormt; massen af denne varme gas, kan være op til 5 gange massen af alle stjernerne i den hob. Røntgenspektre viser, at gassen indeholder betydelige mængder tunge grundstoffer, der skal være blevet dannet i stjerner. Denne kemisk berigede gas, er enten blæst ud af galakserne af vinde drevet af energien fra tunge stjerner, eller være sivet ud af galakserne under mødet med nærliggende galakser. Denne varme gas, ville være blevet spredt for længe siden, hvis ikke det var for tyngdekraften fra det mørke stof, som fylder hobens volumen.
En yderligere måde at lede efter mørkt stof på, er baseret på forudsigelserne fra Einsteins generelle relativitetsteori (kapitel 17), der fastslår, at massen forvrænger geometrien i rum-tiden, og forårsager at selv lyset afbøjes nær et massivt objekt. Lyset fra et fjernt objekt, er især afbøjet af en galakse eller en større hob af galakser, sådan, at billedet fra det fjerne objekt kan ses forstørret, på hver side af den mellemliggende galakse eller galaksehob. Resultatet er en gravitationslinse (se figur 22.7a).
Husk, at vi nævnte gravitationslinser i beskrivelsen af MACHO’er i kapitel 19, hvor vi fortalte, at gravitationslinser kan gøre baggrundsobjekter stærkere lysende. Linser kan også vise flere billeder af de samme baggrundsobjekter, og da disse billeder ofte er forstørret, er de ofte trukket ud som buer. Jo større gavitationslinseeffekten er, desto mere masse måder være i hoben. Figur 22.7b, viser et billede af en galaksehob, som virker som en gravitationslinse for en række baggrundsgalakser. Analyser af sådanne billeder, afslører massen for den hob der fremstiller gravitationslinseeffekten.
Uanset hvordan astronomerne måler masserne på galaksehobe – ved at de på deres galaksers bevægelser, ved at måle deres varme gas, eller ved at bruge dem som gravitationslinser – er resultaterne de samme. Mørkt stof dominerer massen for galaksehobe og superhobe.