Růst kosmické struktury byl záhadně potlačen

Vědci zjistili, že kosmické struktury rostou pomaleji, než předpovídala Einsteinova teorie obecné relativity, přičemž temná energie hraje dominantnější inhibiční roli, než se dříve myslelo. Tento objev může přetvořit naše chápání temné hmoty, temné energie a základních kosmologických teorií.

Jak se vesmír vyvíjí, vědci očekávají, že velké kosmické struktury porostou určitým tempem: husté oblasti, jako jsou kupy galaxií, budou hustší, zatímco vakuum vesmíru bude prázdnější.

Vědci z University of Michigan však zjistili, že rychlost růstu těchto velkých struktur je pomalejší, než předpovídala Einsteinova teorie obecné relativity.

Ukázali také, že zatímco temná energie urychluje globální expanzi vesmíru, potlačení růstu kosmické struktury, které vědci vidí ve svých datech, je výraznější, než teorie předpovídá. Jejich výsledky byly zveřejněny 11. září v časopise Fyzické kontrolní dopisy.

Vesmírná síť

Galaxie jsou v celém našem vesmíru propojeny jako obří vesmírná pavoučí síť. Jejich distribuce není náhodná. Místo toho mají tendenci se shlukovat. Ve skutečnosti celá vesmírná pavučina začala jako malé shluky hmoty v raném vesmíru, které se postupně rozrostly do jednotlivých galaxií a nakonec galaktických kup a vláken.

„V průběhu kosmického času malá hrouda hmoty přitahuje a hromadí stále více hmoty ze své místní oblasti prostřednictvím gravitační interakce. Jak se oblast stává hustší, „nakonec se zhroutí pod vlastní gravitací.“

„Takže, jak se hroutí, hustota shluků se zvyšuje. To je to, co myslíme růstem. Je to jako tkalcovský stav, kde jedno-, dvou- a trojrozměrné kolapsy vypadají jako list, vlákno a uzel. Realita je kombinací těchto tří stavů a ​​máte galaxie žijící podél vláken, zatímco kupy galaxií – shluky tisíců galaxií – nejhmotnější objekty v našem vesmíru svázané gravitací – sedí v uzlech.

Temná energie a expanze vesmíru

Vesmír není tvořen pouze hmotou. Pravděpodobně také obsahuje tajemnou složku zvanou temná energie. Temná energie urychluje expanzi vesmíru v globálním měřítku. Zatímco temná energie urychluje rozpínání vesmíru, na větší struktury má opačný účinek.

„Pokud gravitace funguje jako zesilovač, který podporuje perturbace hmoty, aby přerostla do rozsáhlé struktury, pak temná energie působí jako tlumič těchto poruch a zpomaluje růst struktury,“ řekl Nguyen. „Studiem toho, jak se kosmická struktura shromažďuje a roste, se můžeme pokusit pochopit povahu gravitace a temné energie.“

Metodika a sondy

Nguyen, profesor fyziky na University of Maryland Dragan Huterer a postgraduální student University of Maryland Yuyu Wen zkoumali dočasný růst struktury ve velkém měřítku v průběhu kosmického času pomocí několika kosmologických sond.

Nejprve tým použil to, čemu se říká kosmické mikrovlnné pozadí. Kosmické mikrovlnné pozadí neboli CMB se skládá z fotonů emitovaných přímo po… velký výbuch. Tyto fotony poskytují snímek velmi raného vesmíru. Jak fotony putují k našim dalekohledům, jejich dráha se může zkreslit nebo gravitačně ovlivnit rozsáhlou strukturou podél cesty. Jejich zkoumáním mohou výzkumníci odvodit, jak jsou struktura a hmota rozloženy mezi námi a kosmickým mikrovlnným pozadím.

Nguyen a jeho kolegové využili podobného jevu slabé gravitační čočky tvarů galaxií. Světlo z galaxií v pozadí je zkresleno gravitačními interakcemi s hmotou v popředí a galaxiemi. Kosmologové pak tato zkreslení dekódují, aby určili, jak je zasahující hmota distribuována.

„Zásadní je, že protože CMB a galaxie v pozadí jsou v různých vzdálenostech od nás a našich teleskopů, slabé gravitační čočky galaxií obvykle prozkoumají distribuci hmoty později než prostřednictvím slabé gravitační čočky CMB,“ řekl Nguyen.

Ke sledování růstu struktury do pozdějších časů výzkumníci také použili pohyby galaxií v místním vesmíru. Když galaxie spadají do gravitačních studní pod nimi ležících kosmických struktur, jejich pohyby přímo následují růst struktury.

„Rozdíl v míře růstu, který pravděpodobně zaznamenáme, se stává výraznějším, jak se blížíme k současnosti,“ řekl Nguyen. „Jednotlivě i společně tato různá zkoumání ukazují na inhibici růstu. Buď nám v každé z těchto sond chybí nějaká systematická chyba, nebo nám v našem standardním modelu chybí nějaká nejnovější fyzika.“

Zvládání stresu S8

Výsledky potenciálně řeší takzvané napětí S8 v kosmologii. S8 je parametr popisující růst struktury. Napětí vzniká, když vědci používají dvě různé metody k určení hodnoty S8, ale neshodnou se. První metoda využívající fotony z kosmického mikrovlnného pozadí ukazuje vyšší hodnotu S8, než je hodnota odvozená ze slabé gravitační čočky galaxií a měření galaktických kup.

Ani jedna z těchto sond dnes neměří růst struktury. Místo toho zkoumali strukturu v dřívějších dobách a poté extrapolovali tato měření do současnosti, za předpokladu standardního modelu. Struktura sond kosmického mikrovlnného pozadí v raném vesmíru, zatímco slabá galaktická gravitační čočka a struktura sond v kupách v pozdním vesmíru.

Zjištění výzkumníků o pozdním potlačení růstu by podle Nguyena uvedlo dvě hodnoty S8 do úplné shody.

„Byli jsme překvapeni vysokou statistickou významností potlačení dysplazie,“ řekl Hutterer. „Upřímně řečeno, mám pocit, že se nám vesmír snaží něco říct. Naším úkolem jako kosmologů je nyní tyto výsledky interpretovat.“

„Rádi bychom posílili statistické důkazy pro potlačení růstu. Také bychom rádi pochopili odpověď na složitější otázku, proč struktury rostou pomaleji, než se očekávalo ve Standardním modelu s temnou hmotou a temnou energií. Tento efekt může být způsoben nové vlastnosti temné energie a temné hmoty nebo nějaké jiné rozšíření.“ U obecné teorie relativity a Standardního modelu jsme o tom zatím neuvažovali.

Odkaz: „Důkazy pro potlačení růstu struktury v konformním kosmologickém modelu“ od Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer a Yue Wen, 11. září 2023, Fyzické kontrolní dopisy.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001