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Text File  |  1992-09-23  |  6.4 KB  |  128 lines
  1.                                                                                 SCIENCE, Page 57Great Bubbles in the Cosmos
  2.  
  3.  
  4. A celestial map reveals clues to the Big Bang and invisible
  5. matter
  6.  
  7. By Michael D. Lemonick
  8.  
  9.  
  10.     For all their skill at finding and analyzing such bizarre
  11. objects as black holes, neutron stars and quasars, astronomers
  12. have so far failed to solve one of the most basic mysteries of
  13. the cosmos: What does the universe look like? The heavens appear
  14. just as two dimensional through powerful modern telescopes as
  15. they did to the eyes of the ancient Greeks, and until recently,
  16. no one could say for sure whether the myriad galaxies were
  17. organized in some meaningful way. Astrophysicists are fiercely
  18. competing to discover how the universe evolved into its present
  19. structure, but they cannot test their theories until they know
  20. what that structure is.
  21.  
  22.     Now astronomy's ignorance is rapidly being dispelled,
  23. thanks in large part to two researchers at the
  24. Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). Since 1985,
  25. Margaret Geller and John Huchra have been meticulously crafting
  26. a three-dimensional map that charts the positions of thousands
  27. of galaxies. Last week, in the journal Science, they presented
  28. their latest map of one small chunk of the visible universe, and
  29. the findings are startling.
  30.  
  31.     Far from being a uniformly distributed collection of
  32. galaxies, as the textbooks have long assumed, the cosmos seems
  33. to be organized into immense bubbles, each of them about 150
  34. million light-years across. The walls of the bubbles are
  35. galaxies, and the interiors appear to be virtually empty. Most
  36. surprising of all is a feature Geller and Huchra call the "Great
  37. Wall" -- a sheet of galaxies at least 200 million light-years
  38. wide, 500 million long and perhaps 15 million thick. It looks
  39. like a single structure, but the scientists say it may instead
  40. be made up of the walls of adjacent bubbles. Says Geller:
  41. "Because it runs off the edge of our survey, we don't know how
  42. big it really is."
  43.  
  44.     The CfA study is not the first to see dark voids and large
  45. conglomerations of galaxies, but it is by far the most
  46. comprehensive. The reason no one had done such a search
  47. earlier, says Huchra, is that galaxy mapping is extremely time
  48. consuming. Their survey of 4,000 galaxies took about 1,000 hours
  49. of telescope time.
  50.  
  51.     Huchra, who made the telescopic observations for the
  52. Harvard-Smithsonian team, used an instrument called a
  53. spectrograph to break down each galaxy's light into its
  54. constituent colors. Within the spectrum he could see lines
  55. representing various elements in and around the galaxy's stars.
  56. These lines appear to be shifted toward the red end of the
  57. spectrum, depending on how fast the galaxy is moving and thus
  58. how far away from earth it is. By carefully measuring the degree
  59. of red shift, Huchra and Geller calculated the relative
  60. positions of the galaxies.
  61.  
  62.     The results are posing something of a problem for
  63. theorists. Says Jeremiah Ostriker, chairman of Princeton's
  64. astrophysics department: "There is no theory using conventional
  65. physics that can explain these structures without causing other
  66. inconsistencies." Ostriker has coauthored a quite unconventional
  67. scenario involving hypothetical objects called cosmic strings.
  68. These strings, he believes, could generate explosive bursts of
  69. energy that would in turn create the bubbles.
  70.  
  71.     But another idea, called the cold dark matter theory, has
  72. gathered more support. This theory postulates an as yet
  73. undiscovered form of exotic subatomic particle that pervades
  74. the universe. The presence of this mysterious "dark matter"
  75. could explain why most galaxies -- including our Milky Way --
  76. seem, judging from measurements of gravitational forces, to
  77. contain about ten times as much invisible matter as they do
  78. visible stars, gas and dust. The existence of dark matter is
  79. needed to fill the gaps in some of the Grand Unified Theories
  80. that physicists have concocted to account for the fundamental
  81. structure of matter and energy.
  82.  
  83.     In particular, some scientists speculate that cold dark
  84. matter caused galaxies to form into the kind of bubbles Geller
  85. and Huchra have found. The process supposedly got under way 10
  86. billion to 20 billion years ago, when the universe began with
  87. the Big Bang and the energy from that explosion started to
  88. condense into matter. Since then, ordinary visible matter, by
  89. itself, has probably not had time to gather into enormous
  90. structures. But cold dark matter may have condensed first, and
  91. its gravitational force could have helped pull visible matter
  92. into bubbles and galaxies. In fact, recent computer simulations
  93. at Princeton of a universe dominated by cold dark matter look
  94. remarkably like the real one.
  95.  
  96.     But that theory received a jolt from another astronomical
  97. discovery announced this week. Scientists from Caltech,
  98. Princeton and the Institute for Advanced Study have detected the
  99. most distant quasar (an exceptionally bright starlike object)
  100. ever spotted. It is billions of light-years away, and the
  101. researchers estimate that it existed when the universe was only
  102. 7% of its present age. It is hard to explain how a quasar could
  103. be formed that early, even under the influence of cold dark
  104. matter.
  105.  
  106.     Another major mystery is the fact that the faint glow of
  107. microwaves left over from the Big Bang is almost completely
  108. uniform. The presence of large bubbles in the universe suggests
  109. that this microwave radiation should be much more uneven. More
  110. clues may come from the new Cosmic Background Explorer
  111. satellite, which is designed to measure radiation intensities
  112. as it orbits the earth in the coming year.
  113.  
  114.     In the meantime, the CfA study will go on, and other
  115. mapping efforts are in the works. "Big as it is," Geller
  116. explains, "our survey area compared with the visible universe
  117. is like Rhode Island compared with the surface of the earth."
  118. The bubbles and walls could be isolated phenomena. But, notes
  119. Geller: "Every survey ever done has contained structures as big
  120. as the survey could contain." If that trend continues, then
  121. there are larger objects yet to be found, which will give
  122. theorists even worse headaches. "These surveys test in the most
  123. acute way our conceptions of how structure developed in the
  124. universe," says Ostriker, "and for that reason they are possibly
  125. the most important studies in extragalactic astrophysics now.
  126. This is an exciting time to be in this field."
  127.  
  128.