Creșterea structurii cosmice a fost suprimată în mod misterios

Oamenii de știință au descoperit că structurile cosmice cresc mai lent decât era prezis de teoria relativității generale a lui Einstein, energia întunecată jucând un rol inhibitor mai dominant decât se credea anterior. Această descoperire ne poate remodela înțelegerea materiei întunecate, a energiei întunecate și a teoriilor cosmologice fundamentale.

Pe măsură ce universul evoluează, oamenii de știință se așteaptă ca structurile cosmice mari să crească într-un anumit ritm: regiunile dense, cum ar fi grupurile de galaxii, vor deveni mai dense, în timp ce vidul spațiului va deveni mai gol.

Cu toate acestea, cercetătorii de la Universitatea din Michigan au descoperit că rata de creștere a acestor structuri mari este mai lentă decât cea prezisă de teoria relativității generale a lui Einstein.

Ei au mai arătat că, în timp ce energia întunecată accelerează expansiunea globală a universului, suprimarea creșterii structurii cosmice pe care cercetătorii o văd în datele lor este mai pronunțată decât prezice teoria. Rezultatele lor au fost publicate pe 11 septembrie în jurnal Scrisori de revizuire fizică.

Rețeaua cosmică

Galaxiile sunt interconectate în universul nostru ca o pânză de păianjen cosmică gigantică. Distribuția lor nu este aleatorie. În schimb, au tendința de a se grupa. De fapt, întreaga rețea cosmică a început ca mici aglomerări de materie în universul timpuriu, care au crescut treptat în galaxii individuale și, în cele din urmă, în grupuri și filamente de galaxii.

„De-a lungul timpului cosmic, un mic bulgăre de masă atrage și acumulează din ce în ce mai multă materie din regiunea sa locală prin interacțiune gravitațională. Pe măsură ce regiunea devine mai densă, „în cele din urmă se prăbușește sub propria gravitație.”

„Așadar, pe măsură ce se prăbușesc, densitatea bulgări crește. La asta înțelegem prin creștere. Este ca un țesut în care colapsurile uni, bidimensionale și tridimensionale arată ca o frunză, un fir și un nod. Realitatea este o combinație a celor trei stări și există galaxii care trăiesc de-a lungul firelor, în timp ce grupurile de galaxii – grupuri de Mii de galaxii – cele mai masive obiecte din universul nostru legate de gravitație – stau în noduri.

Energie întunecată și expansiune cosmică

Universul nu este format numai din materie. De asemenea, probabil conține o componentă misterioasă numită energie întunecată. Energia întunecată accelerează expansiunea universului la scară globală. În timp ce energia întunecată accelerează expansiunea universului, ea are efectul opus asupra structurilor mai mari.

„Dacă gravitația acționează ca un amplificator care promovează perturbările materiei să se dezvolte într-o structură la scară largă, atunci energia întunecată acționează ca un amortizator asupra acestor perturbări și încetinește creșterea structurii”, a spus Nguyen. „Prin studierea modului în care structura cosmică se adună și crește, putem încerca să înțelegem natura gravitației și a energiei întunecate.”

Metodologie și probe

Nguyen, profesorul de fizică Dragan Huterer la Universitatea din Maryland și studentul absolvent al Universității din Maryland Yuyu Wen au examinat creșterea temporală a structurii la scară largă de-a lungul timpului cosmic folosind mai multe sonde cosmologice.

În primul rând, echipa a folosit ceea ce se numește fundalul cosmic cu microunde. Fondul cosmic cu microunde, sau CMB, este format din fotoni emiși direct după… marea explozie. Acești fotoni oferă un instantaneu al universului foarte timpuriu. Pe măsură ce fotonii călătoresc către telescoapele noastre, calea lor poate fi distorsionată sau afectată gravitațional de structura extinsă de-a lungul drumului. Examinându-le, cercetătorii pot deduce modul în care structura și materia sunt distribuite între noi și fundalul cosmic cu microunde.

Nguyen și colegii săi au profitat de un fenomen similar de lentilă gravitațională slabă a formelor galaxiilor. Lumina din galaxiile de fundal este distorsionată de interacțiunile gravitaționale cu materia primului plan și galaxiile. Cosmologii decodifică apoi aceste distorsiuni pentru a determina modul în care materia intervină este distribuită.

„În mod crucial, deoarece CMB și galaxiile de fundal sunt la distanțe diferite de noi și telescoapele noastre, lentilele gravitaționale slabe ale galaxiilor explorează de obicei distribuțiile de materie mai târziu decât o fac prin lentile gravitaționale slabe ale CMB”, a spus Nguyen.

Pentru a urmări creșterea structurii până la vremuri ulterioare, cercetătorii au folosit și mișcările galaxiilor din universul local. Când galaxiile cad în puțurile gravitaționale ale structurilor cosmice subiacente, mișcările lor urmează direct creșterea structurii.

„Diferența în ratele de creștere pe care este probabil să o detectăm devine mai pronunțată pe măsură ce ne apropiem de ziua de azi”, a spus Nguyen. „Individual și colectiv, aceste investigații diferite indică inhibarea creșterii. Fie ne lipsește o eroare sistematică în fiecare dintre aceste sonde, fie ne lipsește o nouă fizică de stadiu avansat din modelul nostru standard.”

Gestionarea stresului S8

Rezultatele pot aborda așa-numita tensiune S8 în cosmologie. S8 este un parametru care descrie creșterea structurii. Tensiunea apare atunci când oamenii de știință folosesc două metode diferite pentru a determina valoarea lui S8, dar nu sunt de acord. Prima metodă, care utilizează fotoni din fundalul cosmic cu microunde, indică o valoare S8 mai mare decât valoarea dedusă din lentilele gravitaționale slabe ale galaxiilor și măsurătorile clusterelor de galaxii.

Niciuna dintre aceste sonde nu măsoară astăzi creșterea structurii. În schimb, au examinat structura în vremuri mai devreme, apoi au extrapolat acele măsurători în prezent, presupunând Modelul Standard. Structura sondelor de fond cu microunde cosmice în Universul timpuriu, în timp ce lentilele gravitaționale galactice slabe și structura sondelor în cluster în Universul târziu.

Descoperirile cercetătorilor despre suprimarea tardivă a creșterii ar pune cele două valori S8 în total acord, potrivit lui Nguyen.

„Am fost surprinși de semnificația statistică ridicată a suprimării displaziei”, a spus Hutterer. „Sincer, simt că universul încearcă să ne spună ceva. Treaba noastră acum, ca cosmologi, este să interpretăm aceste rezultate.”

„Am dori să consolidăm dovezile statistice pentru suprimarea creșterii. De asemenea, am dori să înțelegem răspunsul la întrebarea mai dificilă de ce structurile cresc mai lent decât se aștepta în Modelul standard cu materie întunecată și energie întunecată. Acest efect poate fi cauzat de noi proprietăți ale energiei întunecate și ale materiei întunecate, sau o altă extensie.” Pentru relativitatea generală și modelul standard nu ne-am gândit încă la asta.

Referință: „Dovezi pentru suprimarea creșterii structurii în modelul cosmologic conform” de Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer și Yue Wen, 11 septembrie 2023, Scrisori de revizuire fizică.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001