Rozwój kosmicznej struktury został w tajemniczy sposób stłumiony

Naukowcy odkryli, że struktury kosmiczne rosną wolniej, niż przewidywała ogólna teoria względności Einsteina, a ciemna energia odgrywa bardziej dominującą rolę hamującą, niż wcześniej sądzono. To odkrycie może zmienić nasze rozumienie ciemnej materii, ciemnej energii i podstawowych teorii kosmologicznych.

Naukowcy spodziewają się, że w miarę ewolucji wszechświata duże struktury kosmiczne będą rosły w określonym tempie: gęste obszary, takie jak gromady galaktyk, staną się gęstsze, a próżnia kosmiczna stanie się bardziej pusta.

Jednak naukowcy z Uniwersytetu Michigan odkryli, że tempo wzrostu tych dużych struktur jest wolniejsze niż przewidywała ogólna teoria względności Einsteina.

Wykazali także, że chociaż ciemna energia przyspiesza globalną ekspansję Wszechświata, zahamowanie wzrostu struktury kosmicznej, które naukowcy dostrzegają w swoich danych, jest bardziej wyraźne, niż przewiduje teoria. Wyniki ich badań opublikowano 11 września w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.

Kosmiczna sieć

Galaktyki są ze sobą powiązane w całym naszym wszechświecie niczym gigantyczna kosmiczna pajęczyna. Ich rozkład nie jest przypadkowy. Zamiast tego mają tendencję do skupiania się razem. W rzeczywistości cała kosmiczna sieć zaczęła się jako małe skupiska materii we wczesnym wszechświecie, które stopniowo rozrosły się w pojedyncze galaktyki, a ostatecznie w gromady i włókna galaktyk.

„W ciągu kosmicznego czasu mała bryła masy przyciąga i gromadzi coraz więcej materii ze swojego lokalnego obszaru w wyniku interakcji grawitacyjnych. W miarę jak region staje się gęstszy, „w końcu zapada się pod wpływem własnej grawitacji”.

„Więc gdy się zapadają, gęstość kęp wzrasta. To właśnie rozumiemy przez wzrost. To jest jak krosno, w którym jedno-, dwu- i trójwymiarowe zapadnięcia się wyglądają jak liść, nić i węzeł. Rzeczywistość jest połączeniem trzech stanów i mamy galaktyki żyjące wzdłuż nici, podczas gdy gromady galaktyk – gromady tysięcy galaktyk – najmasywniejszych obiektów w naszym wszechświecie związanych grawitacją – znajdują się w węzłach.

Ciemna energia i ekspansja kosmiczna

Wszechświat nie składa się wyłącznie z materii. Prawdopodobnie zawiera także tajemniczy składnik zwany ciemną energią. Ciemna energia przyspiesza ekspansję wszechświata w skali globalnej. Podczas gdy ciemna energia przyspiesza ekspansję wszechświata, ma ona odwrotny wpływ na większe struktury.

„Jeśli grawitacja działa jak wzmacniacz, który sprzyja perturbacjom materii i przekształceniu ich w struktury o dużej skali, wówczas ciemna energia działa jak tłumik tych zaburzeń i spowalnia wzrost struktury” – powiedział Nguyen. „Badając, jak składa się i rośnie struktura kosmiczna, możemy spróbować zrozumieć naturę grawitacji i ciemnej energii”.

Metodologia i sondy

Nguyen, profesor fizyki na Uniwersytecie Maryland Dragan Huterer i absolwent Uniwersytetu Maryland Yuyu Wen zbadali czasowy wzrost wielkoskalowych struktur w czasie kosmicznym za pomocą kilku sond kosmologicznych.

Najpierw zespół wykorzystał tak zwane kosmiczne mikrofalowe tło. Kosmiczne mikrofalowe tło (CMB) składa się z fotonów emitowanych bezpośrednio po… wielka eksplozja. Fotony te dają migawkę bardzo wczesnego Wszechświata. Gdy fotony wędrują do naszych teleskopów, ich droga może zostać zniekształcona lub pod wpływem grawitacji ze względu na rozległą strukturę po drodze. Badając je, badacze mogą wywnioskować, w jaki sposób struktura i materia są rozmieszczone pomiędzy nami a kosmicznym mikrofalowym tłem.

Nguyen i jego współpracownicy wykorzystali podobne zjawisko słabego soczewkowania grawitacyjnego kształtów galaktyk. Światło z galaktyk tła jest zniekształcane przez oddziaływania grawitacyjne z materią na pierwszym planie i galaktykami. Następnie kosmolodzy dekodują te zniekształcenia, aby określić, w jaki sposób rozłożona jest pośrednia materia.

„Co najważniejsze, ponieważ KMPT i galaktyki tła znajdują się w różnych odległościach od nas i naszych teleskopów, słabe soczewkowanie grawitacyjne galaktyk zazwyczaj bada rozkłady materii później, niż ma to miejsce w przypadku słabego soczewkowania grawitacyjnego KMPT” – powiedział Nguyen.

Aby prześledzić rozwój tej struktury w późniejszych czasach, badacze wykorzystali także ruchy galaktyk we wszechświecie lokalnym. Kiedy galaktyki wpadają do studni grawitacyjnych leżących u ich podstaw struktur kosmicznych, ich ruchy bezpośrednio podążają za wzrostem struktury.

„Różnica w tempie wzrostu, którą prawdopodobnie wykryjemy, staje się coraz bardziej wyraźna w miarę zbliżania się do dnia dzisiejszego” – powiedział Nguyen. „Indywidualnie i łącznie te różne badania wskazują na zahamowanie wzrostu. Albo brakuje nam jakiegoś systematycznego błędu w każdej z tych sond, albo brakuje nam nowej fizyki późnego etapu w naszym standardowym modelu.”

Radzenie sobie ze stresem S8

Wyniki potencjalnie dotyczą tak zwanego napięcia S8 w kosmologii. S8 jest parametrem opisującym wzrost konstrukcji. Napięcie pojawia się, gdy naukowcy stosują dwie różne metody w celu określenia wartości S8, ale nie są zgodni. Pierwsza metoda, wykorzystująca fotony z kosmicznego mikrofalowego tła, wskazuje wyższą wartość S8 niż wartość wywnioskowana z pomiarów soczewkowania grawitacyjnego słabych galaktyk i gromad galaktyk.

Żadna z tych sond nie mierzy obecnie wzrostu struktury. Zamiast tego zbadali strukturę we wcześniejszych okresach, a następnie ekstrapolowali te pomiary na czasy obecne, zakładając Model Standardowy. Struktura kosmicznych mikrofalowych sond tła we wczesnym Wszechświecie, słabe galaktyczne soczewkowanie grawitacyjne oraz struktura sond klastrowych we wczesnym Wszechświecie.

Według Nguyena odkrycia badaczy dotyczące zahamowania późnego wzrostu całkowicie pokrywają się z wartościami S8.

„Byliśmy zaskoczeni wysokim znaczeniem statystycznym tłumienia dysplazji” – powiedział Hutterer. „Szczerze mówiąc, czuję, że wszechświat próbuje nam coś powiedzieć. Naszym zadaniem, jako kosmologów, jest teraz interpretacja tych wyników.”

„Chcielibyśmy wzmocnić dowody statystyczne na supresję wzrostu. Chcielibyśmy także poznać odpowiedź na trudniejsze pytanie, dlaczego struktury rosną wolniej niż oczekiwano w Modelu Standardowym z ciemną materią i ciemną energią. Efekt ten może być spowodowany przez nowe właściwości ciemnej energii i ciemnej materii lub jakieś inne rozszerzenie.” Jeśli chodzi o ogólną teorię względności i Model Standardowy, jeszcze o tym nie myśleliśmy.

Odniesienie: „Dowody na tłumienie wzrostu struktury w konforemnym modelu kosmologicznym”, autorzy: Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer i Yue Wen, 11 września 2023 r., Listy z przeglądu fizycznego.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001