Struktur berskala besar alam semesta

Dalam kosmologi dan astrofisika, Struktur berskala besar alam semesta adalah pola galaksi dan materi pada skala yang jauh lebih besar daripada galaksi individu atau kelompok galaksi dan merupakan kerangka Alam semesta.^[1] Struktur yang berkorelasi ini dapat terlihat hingga miliaran tahun cahaya panjangnya dan dibuat serta dibentuk oleh gravitasi.^[2] Objek seperti bintang, lubang hitam, bintang neutron, kuasar, galaksi, gugus galaksi hingga supergugus galaksi dan termasuk materi^[3] adalah bahan penyusun struktur berskala besar yang mencakup rentang skala fisik dan variasi kondisi fisik yang luar biasa.^[4][5] Objek-objek seperti ini biasanya menerapkan banyak disiplin ilmu fisika, termasuk mekanika, elektromagnetisme, mekanika statistik, termodinamika, mekanika kuantum, relativitas, fisika nuklir dan partikel, serta fisika atom dan molekuler.^[6] Survei terhadap objek yang jauh mengungkapkan bahwa Alam semesta memiliki struktur gelembung - lembaran dan filamen galaksi membentuk jaringan berputar yang diselingi oleh lubang besar (void).^[7]

Dalam skala besar, Alam semesta menampilkan struktur yang koheren, dengan galaksi-galaksi yang berada dalam kelompok dan kelompok pada skala ~ 1,3 Mpc/jam, yang terletak di persimpangan filamen panjang galaksi yang panjangnya> 10 Mpc/jam, dan beberapa di antaranya terletak di dalam void.^[8] Galaksi tidak terdistribusi secara merata di alam semesta, melainkan membentuk jaringan rumit dari filamen, lembaran dan gugus,^[9] kosmos seragam pada skala besar.^[10][11] Alam semesta memiliki dua struktur utama, filamen galaksi dan void.^[12] Wilayah luas dan ruang relatif kosong, yang dikenal sebagai void, berisi sangat sedikit galaksi dan rentang volume di antara struktur ini.^[13] Sementara galaksi dan filamen memiliki massa lebih banyak daripada rata-rata wilayah alam semesta, void memiliki massa lebih sedikit daripada rata-rata.^[14] Ini merupakan salah satu kendala terpenting dalam kosmologi.^[15] Cahaya dari galaksi jauh mengungkapkan informasi penting tentang sifat alam semesta dan memungkinkan para ilmuwan mengembangkan model presisi tinggi dari sejarah, evolusi dan struktur kosmos.^[16]

Diameter besar void (150 juta tahun cahaya) dan tingkat tinggi isotropi radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik menentukan kerangka acuan untuk model teoritis untuk pembentukan struktur berskala besar.^[17] Bagaimana struktur berskala besar ini terbentuk adalah misteri terbesar dalam kosmologi.^[9] Pada skala yang sangat besar, pembentukan struktur ini secara kasar dapat dijelaskan dengan pendekatan Zel'dovich.^[18]

Beberapa struktur terbesar yang diketahui adalah Tembok Besar Hercules–Corona Borealis, Cincin GRB raksasa^[19] dan Huge-LQG menantang prinsip kosmologi. Prinsip kosmologi dan model standar kosmologi adalah model teoritis yang menyatakan bahwa alam semesta homogen dan isotropik.^[20] Dalam perhitungan astrofisika, struktur yang lebih besar dari dari sekitar 1,2 miliar tahun cahaya seharusnya tidak ada.^[21] Simulasi alam semesta teramati menunjukkan bahwa alam semesta mulai mengalami percepatan perluasan sekitar 6 miliar tahun yang lalu dalam 6 urutan skala panjang skala, dari urutan Bima Sakti hingga seluruh Alam semesta teramati. Ini memberikan informasi penting mengenai pembentukan dan evolusi struktur evolusi terbesar di alam semesta, termasuk efek pelensaan topologis pada skala kosmik yang dapat dideteksi.^[22][23] Pengaruh gravitasi menyebabkan galaksi dan kelompok galaksi dapat tetap menjadi objek yang terikat secara gravitasi. Kumpulan objek ini dapat membentuk struktur yang lebih besar seperti jaringan kosmik.^[24]

Pada sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu, ledakan dahsyat terjadi. Alam semesta dipenuhi dengan materi, antimateri, radiasi dan berada dalam kondisi sangat panas, sangat padat, tetapi mengembang dan mendingin. Saat ini, volume alam semesta teramati telah mengembang menjadi 46 miliar tahun cahaya dalam radius, tetapi seluruh alam semesta diperkirakan 250 kali lebih besar dari itu^[25][26] dan ini jauh lebih besar daripada yang diperkirakan orang-orang baru.^[27] Model Alam semesta pun mencakup banyak ilmu disiplin fisika, termasuk teori pengukuran interaksi lemah dan kuat, hidrodinamika dan mikrofisika materi barion, medan elektromagnetik, dan kelengkungan ruang dan waktu; dari dinamika singularitas Big Bang hingga interaksi fundamental gelombang gravitasi; dari transisi materi kuark-hadron ke struktur berskala besar Alam semesta.^[28]

Materi di Alam semesta tidak didistribusikan secara merata. Itu didominasi oleh supergugus dan filamen materi yang menyatukan mereka. Gugus galaksi berada di puncak hierarki. Teori dan kosmologi modern meramalkan bahwa materi akan berbentuk supergugus atau filamen ini, dan void besar yang memisahkan mereka. Tetapi hingga tahun 1980-an, para ilmuwan mengira bahwa gugus galaksi adalah struktur terbesar dan mereka juga mengira bahwa gugus itu tersebar secara merata di Alam semesta.^[29] Kosmos sekarang menjadi hamparan ruang yang luas yang dihuni oleh miliaran dan miliaran galaksi, masing-masing beisi miliaran dan miliaran bintang.^[30] Tata surya adalah salah satu dari banyak tata surya di galaksi, dan galaksi hanyalah salah satu galaksi di alam semesta. Galaksi-galaksi melacak distribusi materi di Alam semesta, dan mereka terbentuk di konsentrasi yang tinggi, berada di ruang kosong luas yang disebut ruang antargalaksi.^[31][32]

Struktur berskala besar di Alam semesta tersusun secara hierarkis dengan galaksi, bersama gas terkait, dan materi gelap, berkumpul dalam kelompok, yang diatur dalam kelompok lain, kelompok yang lebih kecil, filamen, lembaran, dan daerah kosong besar ("void") dalam pola yang disebut "jaringan kosmik" yang membentang di Alam semesta teramati.^[33] Dinamika struktur berskala besar alam semesta berada di semua skala, bahkan dari rezim yang non-linier,^[34] termasuk benda terkecil yang diusulkan adalah foam kuantum, pelensaan, latar belakang gelombang mikro kosmis,^[35] hingga mencakup terbesar yaitu alam semesta teramati.^[26] Jumlah struktur berskala besar yang diidentifikasi oleh survei galaksi SDSS 15.000 filamen kosmik.^[36] Pemetaan pun dilakukan oleh para ilmuwan untuk membatasi kosmologi semesta dan membuat pemahaman yang lebih baik tentang berbagai mekanisme yang mendorong pembentukan dan evolusi galaksi.^[37]

Penelitian selama tiga dekade terakhir telah merevolusi bidang kosmologi sambil mendukung model kosmologi standar. Survei pergeseran merah galaksi telah lama digunakan untuk membatasi model kosmologis dan skenario pembentukan struktue. Namun, prinsip kosmologis dari homogenitas dan isotropik Universal selalu dipertanyakan, karena struktur dengan ukuran terbesar selalu ditemukan seiring dengan peningkatan survei. Skema kosmologis yang lugas memang memprediksi batas atas skala gangguan yang mencapai amplitudo signifikan.^[38] Secara khusus, struktur terbesar secara observasi dianggap membawa informasi penting tentang amplitudo fluktuasi kerapatan skala besar atau homogenitas alam semesta, dan sering kali menantang kerangka kosmologis standar, dan ini diperkirakan dalam paradigma Lambda-CDM.^[39]

Hingga saat ini, struktur terbesar yang diketahui di alam semesta adalah Tembok Besar Sloan (SGW) dengan panjang lebih dari 400 Mpc, kemudian beberapa struktur yang lebih besar mulai mendahuluinya, seperti Cincin GRB raksasa (Huge-LQG),^[40] termasuk Tembok Besar BOSS meski ukurannya hanya sepertiga dari SGW, tetapi memiliki komposisi dan volume yang lebih tinggi.^[41]

Galaksi Bima Sakti, yang berdiameter 100.000 hingga 180.000 tahun cahaya (31 - 55 kiloparsec) dan berisi 100 hingga 400 miliar bintang, sangat besar. Namun, jika menyangkut struktur berskala besar Alam semesta, galaksi kita hanya setetes air dalam ember. Struktur terbesar di alam semesta adalah supergugus dan filamen dan supervoid, yang merupakan asosiasi besar galaksi yang dapat menjangkau jarak lebih dari 100 juta tahun cahaya, walau istilah supervoid tidak sepenuhnya kosong, hanya 20% lebih kosong dari rata-rata Alam semesta.^[42][43] Struktur-struktur kecil yang besar IC 1101 (galaksi terbesar), TON 618 (lubang hitam terbesar), dan Supergugus Shapley (koleksi galaksi terbesar). Superstruktur merujuk pada luas berorde 100 h-1 Mpc dalam tiga dimensi, menjadikannya struktur terbesar yang diketahui, dan menunjukkan masaa yang mirip dengan Massa Penarik Besar.^[44]

Supergugus tempat tempat galaksi kita berada dikenal sebagai Supergugus Laniakea, yang membentang 500 juta tahun cahaya. Namun, struktur besar lainnya memiliki ukuran yang jauh lebih besar, seperti grup kuasar besar,^[45] supergugus Saraswati berdiameter 650 juta tahun cahaya (200 megaparsec),^[46] hingga struktur terbesar di alam semesta Tembok Besar Hercules-Corona Borealis, yang secara harfiah merupakan kelompok semburan sinar gamma (2-3 Gigaparsec).^[47] Void terbesar yang diketahui seperti Void KBC, Supervoid Eridanus,^[48]

• Alam semesta teramati
• Tembok Besar CfA2
• Materi gelap
• Energi gelap
• Supernova