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/ TIME: Almanac 1990 / 1990 Time Magazine Compact Almanac, The (1991)(Time).iso / time / 112789 / 11278900.022 < prev    next >
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Text File  |  1990-09-20  |  6.3 KB  |  113 lines
  1. SCIENCE, Page 57Great Bubbles in the CosmosA celestial map reveals clues to the Big Bang and invisiblematterBy Michael D. Lemonick
  2.  
  3.  
  4.     For all their skill at finding and analyzing such bizarre
  5. objects as black holes, neutron stars and quasars, astronomers have
  6. so far failed to solve one of the most basic mysteries of the
  7. cosmos: What does the universe look like? The heavens appear just
  8. as two dimensional through powerful modern telescopes as they did
  9. to the eyes of the ancient Greeks, and until recently, no one could
  10. say for sure whether the myriad galaxies were organized in some
  11. meaningful way. Astrophysicists are fiercely competing to discover
  12. how the universe evolved into its present structure, but they
  13. cannot test their theories until they know what that structure is.
  14.  
  15.     Now astronomy's ignorance is rapidly being dispelled, thanks
  16. in large part to two researchers at the Harvard-Smithsonian Center
  17. for Astrophysics (CfA). Since 1985, Margaret Geller and John Huchra
  18. have been meticulously crafting a three-dimensional map that charts
  19. the positions of thousands of galaxies. Last week, in the journal
  20. Science, they presented their latest map of one small chunk of the
  21. visible universe, and the findings are startling.
  22.  
  23.     Far from being a uniformly distributed collection of galaxies,
  24. as the textbooks have long assumed, the cosmos seems to be
  25. organized into immense bubbles, each of them about 150 million
  26. light-years across. The walls of the bubbles are galaxies, and the
  27. interiors appear to be virtually empty. Most surprising of all is
  28. a feature Geller and Huchra call the "Great Wall" -- a sheet of
  29. galaxies at least 200 million light-years wide, 500 million long
  30. and perhaps 15 million thick. It looks like a single structure, but
  31. the scientists say it may instead be made up of the walls of
  32. adjacent bubbles. Says Geller: "Because it runs off the edge of our
  33. survey, we don't know how big it really is."
  34.  
  35.     The CfA study is not the first to see dark voids and large
  36. conglomerations of galaxies, but it is by far the most
  37. comprehensive. The reason no one had done such a search earlier,
  38. says Huchra, is that galaxy mapping is extremely time consuming.
  39. Their survey of 4,000 galaxies took about 1,000 hours of telescope
  40. time.
  41.  
  42.     Huchra, who made the telescopic observations for the
  43. Harvard-Smithsonian team, used an instrument called a spectrograph
  44. to break down each galaxy's light into its constituent colors.
  45. Within the spectrum he could see lines representing various
  46. elements in and around the galaxy's stars. These lines appear to
  47. be shifted toward the red end of the spectrum, depending on how
  48. fast the galaxy is moving and thus how far away from earth it is.
  49. By carefully measuring the degree of red shift, Huchra and Geller
  50. calculated the relative positions of the galaxies. 
  51.  
  52.     The results are posing something of a problem for theorists.
  53. Says Jeremiah Ostriker, chairman of Princeton's astrophysics
  54. department: "There is no theory using conventional physics that can
  55. explain these structures without causing other inconsistencies."
  56. Ostriker has coauthored a quite unconventional scenario involving
  57. hypothetical objects called cosmic strings. These strings, he
  58. believes, could generate explosive bursts of energy that would in
  59. turn create the bubbles.
  60.  
  61.     But another idea, called the cold dark matter theory, has
  62. gathered more support. This theory postulates an as yet
  63. undiscovered form of exotic subatomic particle that pervades the
  64. universe. The presence of this mysterious "dark matter" could
  65. explain why most galaxies -- including our Milky Way -- seem,
  66. judging from measurements of gravitational forces, to contain about
  67. ten times as much invisible matter as they do visible stars, gas
  68. and dust. The existence of dark matter is needed to fill the gaps
  69. in some of the Grand Unified Theories that physicists have
  70. concocted to account for the fundamental structure of matter and
  71. energy.
  72.  
  73.     In particular, some scientists speculate that cold dark matter
  74. caused galaxies to form into the kind of bubbles Geller and Huchra
  75. have found. The process supposedly got under way 10 billion to 20
  76. billion years ago, when the universe began with the Big Bang and
  77. the energy from that explosion started to condense into matter.
  78. Since then, ordinary visible matter, by itself, has probably not
  79. had time to gather into enormous structures. But cold dark matter
  80. may have condensed first, and its gravitational force could have
  81. helped pull visible matter into bubbles and galaxies. In fact,
  82. recent computer simulations at Princeton of a universe dominated
  83. by cold dark matter look remarkably like the real one.
  84.  
  85.     But that theory received a jolt from another astronomical
  86. discovery announced this week. Scientists from Caltech, Princeton
  87. and the Institute for Advanced Study have detected the most distant
  88. quasar (an exceptionally bright starlike object) ever spotted. It
  89. is billions of light-years away, and the researchers estimate that
  90. it existed when the universe was only 7% of its present age. It is
  91. hard to explain how a quasar could be formed that early, even under
  92. the influence of cold dark matter.
  93.  
  94.     Another major mystery is the fact that the faint glow of
  95. microwaves left over from the Big Bang is almost completely
  96. uniform. The presence of large bubbles in the universe suggests
  97. that this microwave radiation should be much more uneven. More
  98. clues may come from the new Cosmic Background Explorer satellite,
  99. which is designed to measure radiation intensities as it orbits the
  100. earth in the coming year.
  101.  
  102.     In the meantime, the CfA study will go on, and other mapping
  103. efforts are in the works. "Big as it is," Geller explains, "our
  104. survey area compared with the visible universe is like Rhode Island
  105. compared with the surface of the earth." The bubbles and walls
  106. could be isolated phenomena. But, notes Geller: "Every survey ever
  107. done has contained structures as big as the survey could contain."
  108. If that trend continues, then there are larger objects yet to be
  109. found, which will give theorists even worse headaches. "These
  110. surveys test in the most acute way our conceptions of how structure
  111. developed in the universe," says Ostriker, "and for that reason
  112. they are possibly the most important studies in extragalactic
  113. astrophysics now. This is an exciting time to be in this field."