[논문 리뷰] An Historical View: The Discovery of Voids in the Galaxy Distribution

Laird A. Thompson, Stephen A. Gregory|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 06.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 1970년대 후반에 이루어진 초기 적색편이 조사들을 통해 우주 공백—약 ~20 h⁻¹ Mpc 크기의 빈도수 부족 영역으로, 은하가 전혀 없는 영역—이 발견된 역사를 기록한다. 그들은 고레지와 톰슨의 코마–A1367 지역에 대한 경험적 조사에서 필라멘터리 초은하단의 구조가 공백을 둘러싸고 있음을 밝혀내었으며, 이는 이전에 균일한 우주라는 관념을 도전하고, 이론적 시뮬레이션들이 그들의 발견을 검증함으로써 우주망 모델의 널리 퍼진 수용을 이끌었다.

ABSTRACT

Voids in the large scale distribution of galaxies were first recognized and discussed as an astrophysical phenomenon in two papers published in 1978. We published the first (Gregory and Thompson 1978) and Joeveer, Einasto and Tago (1978) published the second. The discovery of voids altered the accepted view of the large scale structure of the universe. In the old picture, the universe was filled with field galaxies, and occasional density enhancements could be found at the locations of rich galaxy clusters or superclusters. In the new picture, voids are interspersed between complex filamentary supercluster structure that forms the so-called cosmic web. The key observational prerequisite for the discovery of voids was a wide-angle redshift survey displayed as a cone diagram that extended far enough in distance to show a fair sample of the universe (i.e., well beyond the Local Supercluster). The initial impact of the 1978 discovery of voids was stunted for several years by theoretical cosmologists in the West who were not quite sure how filaments and voids could emerge from what otherwise appeared to be a homogeneous universe. After it became clear several years later that theoretical models of structure formation could explain the phenomenon, the new void and supercluster paradigm became widely accepted.

연구 동기 및 목표

• 적색편이 조사를 통해 은하 분포에서 대규모 밀도 부족 영역인 공백의 경험적 발견을 기록하기 위해.
• 공백이 통계적 오류일 뿐이며 천체물리적 특성은 아니라는 이론적 우주론자들의 초기 회의적 반응을 대조하기 위해.
• 특히 고레지와 톰슨, 조비어 등에 의한 초기 적색편이 조사들이 초은하단과 공백의 우주망 구조를 어떻게 드러냈는지 추적하기 위해.
• 수치 시뮬레이션이 공백 존재를 어떻게 검증하고, 공백-초은하단 이론이 널리 수용되는 데 기여했는지 설명하기 위해.
• 1978년 발견이 대규모 구조 형성 이론의 우주론적 모델을 재편시킨 역사적 의의를 확립하기 위해.

제안 방법

• 고전압 영상 강화 장치를 사용해 광역 적색편이 조사를 수행하여 은하 적색편이를 측정하고, 은하 분포의 3차원 맵핑을 가능하게 하였다.
• 적색편이 데이터에서 콘 다이어그램을 구성하여 대규모 구조를 시각화하고, 필라멘터리 초은하단 벽에 둘러싸인 밀도가 낮은 영역을 드러내었다.
• 풍부한 아벨 은하단 주변의 은하 분포를 분석하여 상호 연결성(브릿지)이 있는지 검토하고 고립된 공백을 식별하였다.
• 이론적 모델과 관측 결과를 비교하였으며, 제르도비치의 상향 구조 형성 이론과 이후의 계층적 군집 모델을 포함하였다.
• CfA 조사 및 헤이즈, 지오바넬리, 키르슈너 등에 의한 조사 데이터를 활용해 공백 구조를 상호 확인하였다.
• 공백이 시각적 착각일 뿐 아니라 실제 특성임을 뒷받침하기 위해 통계적 편향이 시각적 해석에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지역 은하 분포에서 대규모 밀도 부족 공백이 존재한다는 데 대한 증거는 무엇인가?
• RQ2 적색편이 조사에서 명백한 시각적 및 통계적 증거가 있었음에도 불구하고, 왜 공백은 초기에 회의의 대상이 되었는가?
• RQ3 경험적 발견 이후 이론적 우주론은 공백 존재를 어떻게 수용하게 되었는가?
• RQ4 고레지와 톰슨, CfA 조사와 같은 초기 적색편이 조사들이 초은하단과 공백의 우주망 구조를 어느 정도 드러냈는가?
• RQ5 수치 시뮬레이션이 공백의 천체물리적 실재성을 검증하고, 우주론에서의 합의를 이동시키는 데 어떤 역할을 했는가?

주요 결과

• 1978년 고레지와 톰슨의 적색편이 조사에서 최초로 우주 공백이 명확히 규명되었으며, 이는 약 ~20 h⁻¹ Mpc 크기의 영역에서 은하가 전혀 없는 영역을 의미한다.
• 이 발견은 필라멘터리 초은하단이 형성하는 우주망의 구조를 드러내었으며, 밀도가 낮은 영역에 공백이 위치해 있음을 보여주었다.
• 초기 이론적 회의는 공백이 통계적 오류이거나 시각적 착각일 수 있다는 믿음에서 비롯되었으며, 소네이라와 피블스(1978)에 의해 주장되었다.
• 공백 존재는 이후 수치 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 초기 밀도 불안정성에서 대규모 구조, 특히 공백이 어떻게 형성될 수 있는지를 보여주었다.
• 1980년대 초에는 공백-초은하단 이론이 다수의 독립적 조사(키르슈너 등과 CfA 조사 포함)에 의해 지지되며 널리 수용되기 시작했다.
• 1986년 데 라파르앙 등에 의한 CfA 조사가 '코마 스틱맨' 구조를 확인함으로써 우주망 모델이 굳어졌으며, 1978년 발견의 유산이 확립되었다.