Рост космической структуры был таинственным образом подавлен

Художественное изображение материи ранней Вселенной, медленно объединяющейся в более крупные космические структуры поздней Вселенной. Фото: Мин Нгуен, Мичиганский университет, и Тхань Нгуен (муж)

Ученые обнаружили, что космические структуры растут медленнее, чем предсказывает общая теория относительности Эйнштейна, а темная энергия играет более доминирующую тормозящую роль, чем считалось ранее. Это открытие может изменить наше понимание темной материи, темной энергии и фундаментальных космологических теорий.

По мере развития Вселенной ученые ожидают, что крупные космические структуры будут расти с определенной скоростью: плотные области, такие как скопления галактик, станут более плотными, а космический вакуум станет более пустым.

Однако исследователи из Мичиганского университета обнаружили, что скорость роста этих крупных структур медленнее, чем предсказывает общая теория относительности Эйнштейна.

Они также показали, что, хотя темная энергия ускоряет глобальное расширение Вселенной, подавление роста космической структуры, которое исследователи видят в своих данных, более выражено, чем предсказывает теория. Их результаты были опубликованы 11 сентября в журнале Письма о физическом осмотре.

Космическая паутина

Галактики связаны между собой во всей нашей Вселенной, как гигантская космическая паутина. Их распределение не случайно. Вместо этого они имеют тенденцию группироваться вместе. Фактически, вся космическая паутина зародилась как небольшие сгустки материи в ранней Вселенной, которые постепенно разрослись в отдельные галактики и, в конечном итоге, в скопления и нити галактик.

«В течение космического времени небольшой кусок массы притягивает и накапливает все больше и больше материи из своего локального региона посредством гравитационного взаимодействия. По мере того, как регион становится более плотным, «он в конечном итоге разрушается под действием собственной гравитации».

«Поэтому, когда они сжимаются, плотность комков увеличивается. Это то, что мы подразумеваем под ростом. Это похоже на ткацкий станок, где одно-, двух- и трехмерные схлопывания выглядят как лист, нить и узел. Реальность представляет собой комбинацию трех состояний: галактики живут вдоль нитей, а скопления галактик — скопления тысяч галактик — самых массивных объектов в нашей Вселенной, связанных гравитацией, — сидят в узлах.

Темная энергия и космическое расширение

Вселенная состоит не только из материи. Вероятно, он также содержит загадочный компонент, называемый темной энергией. Темная энергия ускоряет расширение Вселенной в глобальном масштабе. Хотя темная энергия ускоряет расширение Вселенной, она оказывает противоположный эффект на более крупные структуры.

«Если гравитация действует как усилитель, который способствует превращению возмущений материи в крупномасштабную структуру, то темная энергия действует как гаситель этих возмущений и замедляет рост структуры», — сказал Нгуен. «Изучая, как собирается и растет космическая структура, мы можем попытаться понять природу гравитации и темной энергии».

Методология и исследования

Нгуен, профессор физики Университета Мэриленда Драган Хутерер и аспирантка Университета Мэриленда Юю Вен исследовали временной рост крупномасштабных структур на протяжении космического времени с помощью нескольких космологических зондов.

Сначала команда использовала так называемый космический микроволновый фон. Космический микроволновый фон, или реликтовое излучение, состоит из фотонов, испускаемых сразу после… великий взрыв. Эти фотоны дают снимок очень ранней Вселенной. Когда фотоны попадают в наши телескопы, их путь может искажаться или подвергаться гравитационному воздействию из-за обширной структуры на пути. Изучая их, исследователи могут сделать вывод о том, как структура и материя распределяются между нами и космическим микроволновым фоном.

Нгуен и его коллеги воспользовались аналогичным явлением слабого гравитационного линзирования форм галактик. Свет от фоновых галактик искажается гравитационными взаимодействиями с веществом переднего плана и галактиками. Затем космологи расшифровывают эти искажения, чтобы определить, как распределяется промежуточная материя.

«Важно отметить, что, поскольку реликтовое излучение и фоновые галактики находятся на разных расстояниях от нас и наших телескопов, слабое гравитационное линзирование галактик обычно исследует распределение материи позже, чем при слабом гравитационном линзировании реликтового излучения», — сказал Нгуен.

Чтобы проследить рост структуры до более поздних времен, исследователи также использовали движения галактик в локальной Вселенной. Когда галактики падают в гравитационные ямы нижележащих космических структур, их движение напрямую следует за ростом структуры.

«Разница в темпах роста, которую мы, вероятно, обнаружим, становится более заметной по мере приближения к настоящему моменту», — сказал Нгуен. «Отдельно и коллективно эти различные исследования указывают на торможение роста. Либо мы упускаем какую-то систематическую ошибку в каждом из этих исследований, либо нам не хватает какой-то новой физики поздней стадии в нашей стандартной модели».

Управление стрессом S8

Результаты потенциально касаются так называемого напряжения S8 в космологии. S8 – параметр, описывающий рост конструкции. Напряжение возникает, когда ученые используют два разных метода для определения значения S8, но они не приходят к единому мнению. Первый метод, использующий фотоны космического микроволнового фона, указывает на более высокое значение S8, чем значение, полученное на основе слабого гравитационного линзирования галактик и измерений скоплений галактик.

Ни один из этих зондов не измеряет рост структуры сегодня. Вместо этого они исследовали структуру в более ранние времена, а затем экстраполировали эти измерения на настоящее время, приняв Стандартную модель. Структура зондов космического микроволнового фона в ранней Вселенной, слабое галактическое гравитационное линзирование и структура кластерных зондов в поздней Вселенной.

По словам Нгуена, выводы исследователей о подавлении позднего роста привели бы к полному согласию двух значений S8.

«Мы были удивлены высокой статистической значимостью подавления дисплазии», — сказал Хаттерер. «Честно говоря, я чувствую, что Вселенная пытается нам что-то сказать. Наша задача сейчас, как космологов, — интерпретировать эти результаты».

«Мы хотели бы усилить статистические доказательства подавления роста. Мы также хотели бы понять ответ на более сложный вопрос о том, почему структуры растут медленнее, чем ожидалось в Стандартной модели с темной материей и темной энергией. Этот эффект может быть вызван новые свойства темной энергии и темной материи или какого-то другого расширения». Что касается общей теории относительности и стандартной модели, мы об этом еще не думали.

Ссылка: «Доказательства подавления роста структур в конформной космологической модели», Нат Мин Нгуен, Драган Хуттерер и Юэ Вен, 11 сентября 2023 г., Письма о физическом осмотре.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001