Художнє зображення матерії в ранньому Всесвіті, яка повільно об’єднується у більші космічні структури в пізньому Всесвіті. Авторство зображення: Мін Нгуєн, Мічиганський університет і Тхань Нгуєн (чоловік)
Вчені виявили, що космічні структури ростуть повільніше, ніж передбачено загальною теорією відносності Ейнштейна, а темна енергія відіграє більш домінуючу гальмівну роль, ніж вважалося раніше. Це відкриття може змінити наше розуміння темної матерії, темної енергії та фундаментальних космологічних теорій.
У міру розвитку Всесвіту вчені очікують, що великі космічні структури будуть рости з певною швидкістю: щільні області, такі як скупчення галактик, ставатимуть щільнішими, тоді як космічний вакуум стане порожнішим.
Однак дослідники з Мічиганського університету виявили, що швидкість росту цих великих структур повільніша, ніж передбачала теорія загальної відносності Ейнштейна.
Вони також показали, що в той час як темна енергія прискорює глобальне розширення Всесвіту, придушення зростання космічної структури, яке дослідники бачать у своїх даних, є більш вираженим, ніж передбачає теорія. Їх результати були опубліковані 11 вересня в журналі Листи фізичного огляду.
Космічна мережа
Галактики пов’язані між собою в усьому Всесвіті, як гігантська космічна павутина. Їх розподіл не випадковий. Натомість вони мають тенденцію групуватися разом. Насправді вся космічна мережа почалася як невеликі згустки матерії в ранньому Всесвіті, які поступово переросли в окремі галактики, а згодом – у скупчення галактик і нитки.
“Протягом космічного часу невеликий шматочок маси притягує та накопичує все більше і більше матерії зі свого локального регіону через гравітаційну взаємодію. Коли регіон стає щільнішим, “зрештою він руйнується під дією власної сили тяжіння”.
«Отже, коли вони руйнуються, щільність згустків збільшується. Це те, що ми маємо на увазі під ростом. Це схоже на ткацький верстат, де одно-, дво- та тривимірні колапси виглядають як листок, нитка та вузол. Реальність — це комбінація трьох станів, і у вас є галактики, що живуть уздовж ниток, тоді як скупчення галактик — скупчення тисяч галактик — наймасивніших об’єктів у нашому Всесвіті, пов’язаних гравітацією — сидять у вузлах.
Темна енергія і космічне розширення
Всесвіт складається не тільки з матерії. Він також, ймовірно, містить загадковий компонент під назвою темна енергія. Темна енергія прискорює розширення Всесвіту в глобальному масштабі. Хоча темна енергія прискорює розширення Всесвіту, вона має протилежний вплив на великі структури.
«Якщо гравітація діє як підсилювач, який сприяє зростанню збурень матерії у великомасштабну структуру, то темна енергія діє як гаситель цих збурень і уповільнює зростання структури», — сказав Нгуєн. «Вивчаючи, як збирається і росте космічна структура, ми можемо спробувати зрозуміти природу гравітації та темної енергії».
Методологія та дослідження
Нгуєн, професор фізики Університету Меріленда Драган Хутерер і аспірант Університету Меріленда Юю Вен досліджували часове зростання великомасштабної структури протягом космічного часу за допомогою кількох космологічних зондів.
Спочатку команда використала те, що називається космічним мікрохвильовим фоном. Космічний мікрохвильовий фон, або CMB, складається з фотонів, випромінюваних безпосередньо після… великий вибух. Ці фотони створюють моментальний знімок дуже раннього Всесвіту. Коли фотони рухаються до наших телескопів, їх шлях може спотворюватися або впливати гравітацією через великі структури на цьому шляху. Досліджуючи їх, дослідники можуть зробити висновок про те, як структура та матерія розподілені між нами та космічним мікрохвильовим фоном.
Нгуєн і його колеги скористалися подібним явищем слабкого гравітаційного лінзування форм галактик. Світло від фонових галактик спотворюється гравітаційною взаємодією з речовиною переднього плану та галактиками. Потім космологи розшифровують ці викривлення, щоб визначити, як розподіляється проміжна матерія.
«Важливо, оскільки CMB і фонові галактики знаходяться на різних відстанях від нас і наших телескопів, слабке гравітаційне лінзування галактик зазвичай досліджує розподіл матерії пізніше, ніж через слабке гравітаційне лінзування CMB», — сказав Нгуєн.
Щоб простежити зростання структури до пізніших часів, дослідники також використовували рух галактик у локальному Всесвіті. Коли галактики потрапляють у гравітаційні колодязі глибинних космічних структур, їхні рухи безпосередньо слідують за ростом структури.
«Різниця в темпах зростання, яку ми, ймовірно, виявимо, стає більш помітною, коли ми наближаємось до сьогоднішнього дня», — сказав Нгуєн. “Окремо та разом ці різні дослідження вказують на пригнічення росту. Або ми пропускаємо якусь систематичну помилку в кожному з цих зондів, або ми пропускаємо якусь нову фізику пізнього етапу в нашій стандартній моделі”.
Подолання стресу S8
Результати потенційно стосуються так званої напруги S8 у космології. S8 – параметр, що описує зростання структури. Напруга виникає, коли вчені використовують два різні методи для визначення значення S8, але вони не погоджуються. Перший метод із використанням фотонів із космічного мікрохвильового фону вказує на вище значення S8, ніж значення, отримане за допомогою слабкого гравітаційного лінзування галактик і вимірювань скупчень галактик.
Жоден із цих зондів сьогодні не вимірює зростання структури. Замість цього вони досліджували структуру в попередні часи, а потім екстраполювали ці вимірювання на теперішній час, припускаючи Стандартну модель. Структура космічних мікрохвильових фонових зондів у ранньому Всесвіті, тоді як слабке галактичне гравітаційне лінзування та структура кластерних зондів у пізньому Всесвіті.
За словами Нгуєна, висновки дослідників про пізнє пригнічення росту повністю збігають два значення S8.
«Ми були здивовані високою статистичною значущістю придушення дисплазії», — сказав Хаттерер. “Чесно кажучи, я відчуваю, що Всесвіт намагається нам щось сказати. Зараз наша робота, як космологів, полягає в інтерпретації цих результатів”.
“Ми хотіли б посилити статистичні докази пригнічення росту. Ми також хотіли б зрозуміти відповідь на більш складне питання про те, чому структури ростуть повільніше, ніж очікувалося в Стандартній моделі з темною матерією і темною енергією. Цей ефект може бути викликаний нові властивості темної енергії та темної матерії або якесь інше розширення». Щодо загальної теорії відносності та стандартної моделі ми ще не думали про це.
Довідка: «Докази придушення зростання структури в конформній космологічній моделі» Нят Мін Нгуєна, Драгана Хаттерера та Юе Вена, 11 вересня 2023 р., Листи фізичного огляду.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
