A kozmikus szerkezet növekedését titokzatosan elfojtották

A tudósok felfedezték, hogy a kozmikus struktúrák lassabban növekednek, mint azt Einstein általános relativitáselmélete megjósolta, és a sötét energia dominánsabb gátló szerepet játszik, mint azt korábban gondolták. Ez a felfedezés átformálhatja a sötét anyagról, a sötét energiáról és az alapvető kozmológiai elméletekről alkotott felfogásunkat.

Ahogy az univerzum fejlődik, a tudósok arra számítanak, hogy a nagy kozmikus struktúrák bizonyos ütemben növekednek: a sűrű régiók, például a galaxishalmazok sűrűbbé válnak, miközben a tér vákuumja kiürül.

A Michigani Egyetem kutatói azonban felfedezték, hogy ezeknek a nagy struktúráknak a növekedési üteme lassabb, mint azt Einstein általános relativitáselmélete megjósolta.

Azt is kimutatták, hogy míg a sötét energia felgyorsítja az univerzum globális tágulását, a kozmikus struktúra növekedésének visszaszorítása, amelyet a kutatók adataikban látnak, sokkal hangsúlyosabb, mint azt az elmélet előre jelezte. Eredményeiket szeptember 11-én tették közzé a folyóiratban Fizikai áttekintő levelek.

A kozmikus háló

A galaxisok az egész univerzumban úgy kapcsolódnak egymáshoz, mint egy óriási kozmikus pókháló. Eloszlásuk nem véletlenszerű. Ehelyett inkább egy csoportba tömörülnek. Valójában az egész kozmikus háló kis anyagcsomókból indult ki a korai univerzumban, amelyek fokozatosan egyedi galaxisokká, végül galaxishalmazokká és filamentumokká nőttek.

„A kozmikus idő folyamán egy kis tömegcsomó a gravitációs kölcsönhatás révén egyre több anyagot vonz és halmoz fel helyi régiójából. Ahogy a régió sűrűsödik, „végül összeomlik saját gravitációja hatására.”

„Tehát, ahogy összeomlanak, a csomók sűrűsége növekszik. Ezt értjük növekedés alatt. Olyan, mint egy szövőszék, ahol az egy-, két- és háromdimenziós összeomlások úgy néznek ki, mint egy levél, egy cérna és egy csomó. A valóság a három állapot kombinációja, és a szálak mentén galaxisok élnek, míg a csomópontokban galaxishalmazok – több ezer galaxishalmaz – a gravitáció által megkötött univerzumunk legnagyobb tömegű objektumai – ülnek.

Sötét energia és kozmikus tágulás

Az univerzum nem csak anyagból áll. Valószínűleg tartalmaz egy titokzatos összetevőt is, az úgynevezett sötét energiát. A sötét energia globális léptékben felgyorsítja az univerzum tágulását. Míg a sötét energia felgyorsítja az univerzum tágulását, addig a nagyobb struktúrákra ellentétes hatást fejt ki.

„Ha a gravitáció olyan erősítőként működik, amely elősegíti az anyag perturbációit, hogy nagyméretű szerkezetekké nőjenek, akkor a sötét energia csillapítja ezeket a zavarokat, és lelassítja a szerkezet növekedését” – mondta Nguyen. „A kozmikus szerkezetek összerakódásának és növekedésének tanulmányozásával megpróbálhatjuk megérteni a gravitáció és a sötét energia természetét.”

Módszertan és próbák

Nguyen, a Marylandi Egyetem fizikaprofesszora, Dragan Huterer és a Marylandi Egyetem végzős hallgatója, Yuyu Wen számos kozmológiai szonda segítségével vizsgálták a nagyméretű szerkezetek időbeli növekedését a kozmikus időben.

Először a csapat az úgynevezett kozmikus mikrohullámú hátteret használta. A kozmikus mikrohullámú háttér, vagy CMB, közvetlenül azután kibocsátott fotonokból áll… a nagy robbanás. Ezek a fotonok pillanatképet adnak a nagyon korai univerzumról. Ahogy a fotonok eljutnak távcsöveinkhez, útjukat eltorzíthatják vagy gravitációsan befolyásolhatják a kiterjedt szerkezetek. Ezek vizsgálatával a kutatók arra következtethetnek, hogyan oszlik meg a szerkezet és az anyag köztünk és a kozmikus mikrohullámú háttér között.

Nguyen és kollégái kihasználták a galaxis alakzatok gyenge gravitációs lencséjének hasonló jelenségét. A háttérgalaxisok fényét az előtérben lévő anyagokkal és galaxisokkal való gravitációs kölcsönhatások torzítják. A kozmológusok ezután dekódolják ezeket a torzulásokat, hogy meghatározzák, hogyan oszlik el a közbeeső anyag.

„Létfontosságú, hogy mivel a CMB és a háttérgalaxisok különböző távolságra vannak tőlünk és a távcsöveinktől, a galaxisok gyenge gravitációs lencséi általában később kutatják az anyageloszlást, mint a CMB gyenge gravitációs lencséje révén” – mondta Nguyen.

A szerkezet növekedésének a későbbi időkre való visszakövetésére a kutatók a galaxisok mozgását is felhasználták a helyi univerzumban. Amikor a galaxisok a mögöttes kozmikus struktúrák gravitációs kútjaiba esnek, mozgásuk közvetlenül követi a szerkezet növekedését.

„A növekedési ráták közötti különbség, amelyet valószínűleg észlelünk, egyre hangsúlyosabbá válik, ahogy közeledünk a jelenhez” – mondta Nguyen. „Egyénileg és együttesen ezek a különböző vizsgálatok a növekedés gátlására utalnak. Vagy hiányzik néhány szisztematikus hiba mindegyik szondából, vagy hiányzik néhány új, késői stádiumú fizika a standard modellünkből.”

Stresszkezelés S8

Az eredmények potenciálisan a kozmológia úgynevezett S8 feszültségével foglalkoznak. Az S8 a szerkezet növekedését leíró paraméter. Feszültség akkor keletkezik, amikor a tudósok két különböző módszert alkalmaznak az S8 értékének meghatározására, de nem értenek egyet. Az első módszer, amely a kozmikus mikrohullámú háttérből származó fotonokat használja, magasabb S8 értéket jelez, mint a gyenge galaxis gravitációs lencsékből és galaxishalmaz mérésekből következtetett érték.

E szondák egyike sem méri ma a szerkezet növekedését. Ehelyett megvizsgálták a korábbi idők szerkezetét, majd ezeket a méréseket a jelen időre extrapolálták, feltételezve a standard modellt. A kozmikus mikrohullámú háttérszondák szerkezete a korai Univerzumban, míg a gyenge galaktikus gravitációs lencsék és a fürtszondák szerkezete a késői Univerzumban.

Nguyen szerint a kutatóknak a késői növekedés visszaszorítására vonatkozó megállapításai a két S8 értéket teljes mértékben megegyeznek.

„Meglepett minket a diszplázia visszaszorításának nagy statisztikai jelentősége” – mondta Hutterer. „Őszintén szólva, úgy érzem, hogy az univerzum próbál mondani nekünk valamit. A mi dolgunk most, kozmológusként, hogy értelmezzük ezeket az eredményeket.”

„Szeretnénk megerősíteni a növekedés visszaszorításának statisztikai bizonyítékait. Szeretnénk megérteni a választ arra a bonyolultabb kérdésre is, hogy miért nőnek lassabban a struktúrák a sötét anyag és a sötét energia standard modelljében vártnál. Ezt a hatást az okozhatja a sötét energia és a sötét anyag új tulajdonságai, vagy valamilyen más kiterjesztése.” Az általános relativitáselmélet és a standard modell esetében még nem gondoltunk rá.

Hivatkozás: „Bizonyíték a szerkezetnövekedés visszaszorítására a konformális kozmológiai modellben”, Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer és Yue Wen, 2023. szeptember 11. Fizikai áttekintő levelek.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001