Vedci zistili, že kozmické štruktúry rastú pomalšie, ako predpovedala Einsteinova teória všeobecnej relativity, pričom temná energia hrá dominantnejšiu inhibičnú úlohu, ako sa doteraz predpokladalo. Tento objav môže zmeniť naše chápanie temnej hmoty, temnej energie a základných kozmologických teórií.

Ako sa vesmír vyvíja, vedci očakávajú, že veľké kozmické štruktúry budú rásť určitým tempom: husté oblasti, ako sú kopy galaxií, budú hustejšie, zatiaľ čo vákuum vo vesmíre bude prázdnejšie.

Vedci z University of Michigan však zistili, že rýchlosť rastu týchto veľkých štruktúr je pomalšia, ako predpovedala Einsteinova teória všeobecnej relativity.

Ukázali tiež, že zatiaľ čo tmavá energia urýchľuje globálnu expanziu vesmíru, potlačenie rastu kozmickej štruktúry, ktoré výskumníci vidia vo svojich údajoch, je výraznejšie, ako predpovedá teória. Ich výsledky boli zverejnené 11. septembra v časopise Fyzické kontrolné listy.

Kozmická sieť

Galaxie sú v našom vesmíre prepojené ako obrie kozmická pavučina. Ich rozdelenie nie je náhodné. Namiesto toho majú tendenciu zhlukovať sa. V skutočnosti celá kozmická sieť začala ako malé zhluky hmoty v ranom vesmíre, ktoré sa postupne rozrástli na jednotlivé galaxie a nakoniec zhluky a vlákna galaxií.

„V priebehu kozmického času malá hrudka hmoty priťahuje a hromadí čoraz viac hmoty zo svojej miestnej oblasti prostredníctvom gravitačnej interakcie. Ako sa oblasť stáva hustejšou, „nakoniec sa zrúti pod vlastnou gravitáciou.“

„Takže keď sa zrútia, hustota zhlukov sa zväčší. To je to, čo máme na mysli pod pojmom rast. Je to ako tkáčsky stav, kde jedno-, dvoj- a trojrozmerné kolapsy vyzerajú ako list, vlákno a uzol. Realita je kombináciou troch stavov a máte galaxie žijúce pozdĺž vlákien, zatiaľ čo zhluky galaxií – zhluky tisícok galaxií – najhmotnejšie objekty v našom vesmíre viazané gravitáciou – sedia v uzloch.

Temná energia a kozmická expanzia

Vesmír nie je tvorený len hmotou. Pravdepodobne tiež obsahuje tajomnú zložku nazývanú temná energia. Temná energia urýchľuje expanziu vesmíru v globálnom meradle. Zatiaľ čo temná energia urýchľuje rozpínanie vesmíru, na väčšie štruktúry má opačný efekt.

„Ak gravitácia pôsobí ako zosilňovač, ktorý podporuje perturbácie hmoty, aby prerástli do rozsiahlej štruktúry, potom temná energia pôsobí ako tlmič týchto porúch a spomaľuje rast štruktúry,“ povedal Nguyen. „Štúdiom toho, ako sa kozmická štruktúra zhromažďuje a rastie, sa môžeme pokúsiť pochopiť povahu gravitácie a temnej energie.“

Metodika a sondy

Nguyen, profesor fyziky Dragan Huterer z Marylandskej univerzity a postgraduálny študent Yuyu Wen z Marylandskej univerzity skúmali dočasný rast rozsiahlej štruktúry v kozmickom čase pomocou niekoľkých kozmologických sond.

Najprv tím použil to, čo sa nazýva kozmické mikrovlnné pozadie. Kozmické mikrovlnné pozadie alebo CMB pozostáva z fotónov emitovaných priamo po… veľký výbuch. Tieto fotóny poskytujú snímku veľmi raného vesmíru. Keď fotóny cestujú k našim teleskopom, ich dráha môže byť skreslená alebo gravitačne ovplyvnená rozsiahlou štruktúrou pozdĺž cesty. Ich skúmaním môžu výskumníci odvodiť, ako je štruktúra a hmota rozložená medzi nami a kozmickým mikrovlnným pozadím.

Nguyen a jeho kolegovia využili podobný jav slabej gravitačnej šošovky tvarov galaxií. Svetlo z galaxií v pozadí je skreslené gravitačnými interakciami s hmotou v popredí a galaxiami. Kozmológovia potom dekódujú tieto deformácie, aby určili, ako je rozložená hmota.

„Rozhodujúce je, že keďže CMB a galaxie v pozadí sú v rôznych vzdialenostiach od nás a našich teleskopov, slabé gravitačné šošovky galaxií zvyčajne skúmajú distribúciu hmoty neskôr ako cez slabé gravitačné šošovky CMB,“ povedal Nguyen.

Na sledovanie rastu štruktúry do neskorších časov výskumníci použili aj pohyby galaxií v miestnom vesmíre. Keď galaxie padajú do gravitačných studní základných kozmických štruktúr, ich pohyby priamo sledujú rast štruktúry.

„Rozdiel v rýchlosti rastu, ktorý pravdepodobne zistíme, sa stáva výraznejší, keď sa približujeme k súčasnosti,“ povedal Nguyen. „Individuálne aj kolektívne tieto rôzne výskumy poukazujú na inhibíciu rastu. Buď nám v každej z týchto sond chýba nejaká systematická chyba, alebo nám v našom štandardnom modeli chýba nejaká nová fyzika v neskoršom štádiu.“

Zvládanie stresu S8

Výsledky potenciálne riešia takzvané napätie S8 v kozmológii. S8 je parameter popisujúci rast štruktúry. Napätie vzniká, keď vedci používajú dve rôzne metódy na určenie hodnoty S8, no nezhodujú sa. Prvá metóda využívajúca fotóny z kozmického mikrovlnného pozadia naznačuje vyššiu hodnotu S8, ako je hodnota odvodená zo slabých gravitačných šošoviek galaxií a meraní zhlukov galaxií.

Ani jedna z týchto sond dnes nemeria rast štruktúry. Namiesto toho skúmali štruktúru v skorších časoch a potom extrapolovali tieto merania na súčasný čas za predpokladu štandardného modelu. Štruktúra kozmických sond mikrovlnného pozadia v ranom vesmíre, zatiaľ čo slabá galaktická gravitačná šošovka a štruktúra klastrových sond v neskorom vesmíre.

Zistenia vedcov o neskorom potlačení rastu by podľa Nguyena úplne súhlasili s dvomi hodnotami S8.

„Prekvapila nás vysoká štatistická významnosť potlačenia dysplázie,“ povedal Hutterer. „Úprimne, mám pocit, že vesmír sa nám snaží niečo povedať. Našou úlohou ako kozmológov je teraz interpretovať tieto výsledky.“

„Radi by sme posilnili štatistické dôkazy o potlačení rastu. Tiež by sme chceli pochopiť odpoveď na zložitejšiu otázku, prečo štruktúry rastú pomalšie, ako sa očakávalo v štandardnom modeli s temnou hmotou a temnou energiou. Tento efekt môže byť spôsobený nové vlastnosti tmavej energie a temnej hmoty alebo nejaké iné rozšírenie.“ Pre všeobecnú teóriu relativity a štandardný model sme o tom ešte neuvažovali.

Odkaz: „Dôkazy pre potlačenie rastu štruktúry v konformnom kozmologickom modeli“ od Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer a Yue Wen, 11. septembra 2023, Fyzické kontrolné listy.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001