Растежът на космическата структура беше мистериозно потиснат

Учените са открили, че космическите структури растат по-бавно, отколкото е предвидено от теорията на общата теория на относителността на Айнщайн, като тъмната енергия играе по-доминираща инхибираща роля, отколкото се смяташе досега. Това откритие може да промени нашето разбиране за тъмната материя, тъмната енергия и фундаменталните космологични теории.

С развитието на Вселената учените очакват големите космически структури да растат с определена скорост: плътните региони като галактическите клъстери ще стават по-плътни, докато вакуумът на пространството ще става по-празен.

Въпреки това, изследователи от Мичиганския университет са открили, че скоростта на растеж на тези големи структури е по-бавна от предвидената от теорията на Айнщайн за общата теория на относителността.

Те също така показаха, че докато тъмната енергия ускорява глобалното разширяване на Вселената, потискането на растежа на космическата структура, което изследователите виждат в техните данни, е по-изразено, отколкото прогнозира теорията. Техните резултати бяха публикувани на 11 септември в списанието Писма за физически преглед.

Космическата мрежа

Галактиките са взаимосвързани в нашата вселена като гигантска космическа паяжина. Разпределението им не е случайно. Вместо това те са склонни да се групират заедно. Всъщност цялата космическа мрежа е започнала като малки бучки материя в ранната вселена, които постепенно са прераснали в отделни галактики и в крайна сметка галактически купове и нишки.

„В хода на космическото време малка маса маса привлича и натрупва все повече и повече материя от своя локален регион чрез гравитационно взаимодействие. Тъй като регионът става по-плътен, „в крайна сметка той се срива под собствената си гравитация.“

„Така че, докато се свиват, плътността на бучките се увеличава. Това имаме предвид под растеж. Това е като стан, където едно-, дву- и триизмерните колапси изглеждат като листо, нишка и възел. Реалността е комбинация от трите състояния и имате галактики, живеещи по протежение на нишките, докато галактически клъстери – клъстери от хиляди галактики – най-масивните обекти в нашата вселена, свързани от гравитацията – седят във възлите.

Тъмна енергия и космическа експанзия

Вселената не е изградена само от материя. Освен това вероятно съдържа мистериозен компонент, наречен тъмна енергия. Тъмната енергия ускорява разширяването на Вселената в глобален мащаб. Докато тъмната енергия ускорява разширяването на Вселената, тя има обратен ефект върху по-големите структури.

„Ако гравитацията действа като усилвател, който насърчава смущенията на материята да прераснат в широкомащабна структура, тогава тъмната енергия действа като амортисьор на тези смущения и забавя растежа на структурата“, каза Нгуен. „Като изучаваме как космическата структура се сглобява и расте, можем да се опитаме да разберем природата на гравитацията и тъмната енергия.“

Методология и сонди

Нгуен, професорът по физика от Университета на Мериленд Драган Хутерер и студентът от университета на Мериленд Юю Уен изследваха временния растеж на широкомащабна структура през космическото време, използвайки няколко космологични сонди.

Първо, екипът използва така наречения космически микровълнов фон. Космическият микровълнов фон или CMB се състои от фотони, излъчвани директно след… голямата експлозия. Тези фотони предоставят моментна снимка на много ранната вселена. Докато фотоните пътуват до нашите телескопи, пътят им може да бъде изкривен или гравитационно засегнат от обширна структура по пътя. Като ги изследват, изследователите могат да направят извод как структурата и материята са разпределени между нас и космическия микровълнов фон.

Нгуен и колегите му се възползваха от подобно явление на слабо гравитационно лещиране на форми на галактики. Светлината от фоновите галактики се изкривява от гравитационните взаимодействия с материята и галактиките на предния план. След това космолозите декодират тези изкривявания, за да определят как се разпределя намесващата се материя.

„От решаващо значение е, че тъй като CMB и фоновите галактики са на различни разстояния от нас и нашите телескопи, слабото гравитационно заснемане на галактики обикновено изследва разпределението на материята по-късно, отколкото чрез слабо гравитационно заснемане на CMB“, каза Нгуен.

За да проследят растежа на структурата до по-късни времена, изследователите също са използвали движенията на галактиките в локалната вселена. Когато галактиките попаднат в гравитационните кладенци на подлежащите космически структури, техните движения следват директно растежа на структурата.

„Разликата в темповете на растеж, които е вероятно да открием, става по-изразена, когато се приближаваме към днешния ден“, каза Нгуен. „Индивидуално и колективно, тези различни изследвания сочат инхибиране на растежа. Или пропускаме някаква систематична грешка във всяка от тези сонди, или пропускаме някаква нова физика на късен етап в нашия стандартен модел.“

Справяне със стрес S8

Резултатите потенциално се отнасят до така нареченото напрежение S8 в космологията. S8 е параметър, описващ растежа на структурата. Напрежение възниква, когато учените използват два различни метода за определяне на стойността на S8, но те не са съгласни. Първият метод, използващ фотони от космическия микровълнов фон, показва по-висока стойност на S8 от стойността, изведена от слаби галактически гравитационни лещи и измервания на галактически купове.

Нито една от тези сонди не измерва растежа на структурата днес. Вместо това те изследваха структурата в по-ранни времена, след което екстраполираха тези измервания до сегашното време, приемайки Стандартния модел. Структурата на космическите микровълнови фонови сонди в ранната Вселена, докато слабите галактически гравитационни лещи и структурата на клъстерните сонди в късната Вселена.

Констатациите на изследователите относно късното потискане на растежа биха поставили двете стойности на S8 в пълно съгласие, според Нгуен.

„Бяхме изненадани от високата статистическа значимост на потискането на дисплазията“, каза Hutterer. „Честно казано, чувствам, че Вселената се опитва да ни каже нещо. Нашата работа сега, като космолози, е да интерпретираме тези резултати.“

„Бихме искали да подсилим статистическите доказателства за потискане на растежа. Бихме искали също да разберем отговора на по-трудния въпрос защо структурите растат по-бавно от очакваното в Стандартния модел с тъмна материя и тъмна енергия. Този ефект може да бъде причинен от нови свойства на тъмната енергия и тъмната материя, или някакво друго разширение.” За общата теория на относителността и стандартния модел все още не сме мислили за това.

Справка: „Доказателство за потискане на структурния растеж в конформния космологичен модел“ от Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer и Yue Wen, 11 септември 2023 г., Писма за физически преглед.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001