W ciągu pierwszych miliardów lat istnienia Wszechświata ta krótka i tajemnicza siła mogła wytworzyć więcej jasnych galaktyk niż przewiduje teoria.
Nowe badania przeprowadzone przez fizyków z MIT sugerują, że tajemnicza siła znana jako wczesna ciemna energia może rozwiązać dwie z największych zagadek w kosmologii i wypełnić niektóre z głównych luk w naszym zrozumieniu tego, jak ewoluował wczesny Wszechświat.
Jedną z zagadek jest napięcie Hubble’a, które odnosi się do rozbieżności w pomiarach szybkości rozszerzania się Wszechświata. Druga dotyczy obserwacji wielu wczesnych, jasnych galaktyk, które istniały w czasie, gdy wczesny Wszechświat powinien być znacznie mniej zaludniony.
Teraz zespół MIT odkrył, że obie zagadki można by rozwiązać, gdyby wczesny Wszechświat miał jeden dodatkowy, ulotny składnik: wczesną ciemną energię. Ciemna energia to nieznana forma energii, która według fizyków napędza ekspansję Wszechświata dzisiaj. Wczesna ciemna energia to podobne, hipotetyczne zjawisko, które mogło pojawić się tylko na chwilę, wpływając na ekspansję Wszechświata w jego pierwszych chwilach, zanim całkowicie zniknęło.
Niektórzy fizycy podejrzewali, że wczesna ciemna energia może być kluczem do rozwiązania problemu napięcia Hubble’a, ponieważ tajemnicza siła mogłaby przyspieszyć wczesną ekspansję Wszechświata o wartość, która rozwiązałaby problem niezgodności pomiarów.
Naukowcy z MIT odkryli teraz, że wczesna ciemna energia może również wyjaśniać zaskakującą liczbę jasnych galaktyk, które astronomowie zaobserwowali we wczesnym Wszechświecie. W swoim nowym badaniu, opublikowanym 13 września 2024 roku w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, zespół modelował formowanie się galaktyk w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat istnienia Wszechświata. Gdy uwzględnili składnik ciemnej energii tylko w tym najwcześniejszym wycinku czasu, odkryli, że liczba galaktyk, które powstały w pierwotnym środowisku, wzrosła, aby dopasować się do obserwacji astronomów.
Mamy do czynienia z dwiema nierozwiązanymi zagadkami – powiedział współautor badania Rohan Naidu, doktorant w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli na MIT. Odkryliśmy, że w rzeczywistości wczesna ciemna energia jest bardzo eleganckim i rzadkim rozwiązaniem dwóch najbardziej palących problemów kosmologii.
Światła wielkiego miasta
Opierając się na standardowych modelach kosmologicznych i modelach formowania galaktyk, Wszechświat nie powinien był się spieszyć z tworzeniem pierwszych galaktyk. Pierwotny gaz potrzebowałby miliardów lat, aby połączyć się w galaktyki tak duże i jasne jak Droga Mleczna.
Jednak w 2023 roku Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) dokonał zaskakującej obserwacji. Dzięki możliwości spojrzenia dalej w przeszłość niż jakiekolwiek dotychczasowe obserwatorium, teleskop odkrył zaskakującą liczbę jasnych galaktyk tak dużych jak współczesna Droga Mleczna w ciągu pierwszych 500 milionów lat, kiedy Wszechświat miał zaledwie 3% swojego obecnego wieku.
Jasne galaktyki zaobserwowane przez JWST przypominały skupiska świateł dużych miast, podczas gdy teoria przewiduje coś w rodzaju światła wokół bardziej wiejskich obszarów, takich jak Park Narodowy Yellowstone – powiedział Xuejian (Jacob) Shen. Nie spodziewamy się takiego skupiska światła na tak wczesnym etapie.
Dla fizyków obserwacje te sugerują, że albo coś jest zasadniczo nie tak z fizyką leżącą u podstaw modeli, albo brakuje składnika we wczesnym Wszechświecie, którego naukowcy nie uwzględnili. Zespół MIT zbadał możliwość tego drugiego i czy brakującym składnikiem może być wczesna ciemna energia.
Fizycy zaproponowali, że wczesna ciemna energia jest rodzajem siły grawitacyjnej, która włącza się tylko w bardzo wczesnych okresach. Siła ta miałaby przeciwdziałać przyciąganiu grawitacyjnemu i przyspieszać wczesną ekspansję Wszechświata w sposób, który rozwiązałby rozbieżność w pomiarach. Wczesna ciemna energia jest zatem uważana za najbardziej prawdopodobne rozwiązanie problemu napięcia Hubble’a.
Szkielet galaktyki
Zespół MIT zbadał, czy wczesna ciemna energia może być również kluczem do wyjaśnienia nieoczekiwanej populacji dużych, jasnych galaktyk wykrytych przez JWST. W swoich nowych badaniach fizycy zastanawiali się, w jaki sposób wczesna ciemna energia może wpływać na wczesną strukturę Wszechświata, która dała początek pierwszym galaktykom. Skupili się na formowaniu się halo ciemnej materii – obszarów przestrzeni, w których grawitacja jest silniejsza i gdzie zaczyna gromadzić się materia.
Uważamy, że halo ciemnej materii są niewidzialnym szkieletem Wszechświata – wyjaśnił Shen. Najpierw tworzą się struktury ciemnej materii, a następnie w ich obrębie powstają galaktyki. Spodziewamy się więc, że liczba galaktyk powinna być proporcjonalna do liczby dużych halo ciemnej materii.
Zespół opracował empiryczne ramy dla wczesnego formowania się galaktyk przewidujące liczbę, jasność i rozmiar galaktyk, które powinny powstać we wczesnym Wszechświecie, biorąc pod uwagę pewne miary „parametrów kosmologicznych”. Parametry kosmologiczne są podstawowymi składnikami lub terminami matematycznymi, które opisują ewolucję Wszechświata.
Fizycy ustalili, że istnieje co najmniej sześć głównych parametrów kosmologicznych, z których jednym jest stała Hubble’a – termin opisujący tempo ekspansji Wszechświata. Inne parametry opisują fluktuacje gęstości w pierwotnej zupie, bezpośrednio po Wielkim Wybuchu, z której ostatecznie tworzą się halo ciemnej materii.
Zespół MIT doszedł do wniosku, że jeżeli wczesna ciemna energia wpływa na tempo wczesnej ekspansji Wszechświata w sposób, który rozwiązuje napięcie Hubble’a, to może wpływać na równowagę innych parametrów kosmologicznych w sposób, który może zwiększyć liczbę jasnych galaktyk pojawiających się we wczesnym okresie. Aby przetestować swoją teorię, włączyli model wczesnej ciemnej energii (ten sam, który rozwiązuje napięcie Hubble’a) do empirycznych ram formowania się galaktyk, aby zobaczyć, jak najwcześniejsze struktury ciemnej materii ewoluują i dają początek pierwszym galaktykom.
Pokazujemy, że szkieletowa struktura wczesnego Wszechświata została zmieniona w subtelny sposób, w którym amplituda fluktuacji wzrasta i uzyskujemy większe halo i jaśniejsze galaktyki, które istnieją we wczesnych okresach, bardziej niż w naszych bardziej waniliowych modelach – powiedział Naidu. Oznacza to, że we wczesnym Wszechświecie wszystko było bardziej obfite i bardziej skupione.
A priori nie spodziewałbym się, że obfitość wczesnych jasnych galaktyk JWST ma cokolwiek wspólnego z wczesną ciemną energią, ale ich obserwacja, że wczesna ciemna energia przesuwa parametry kosmologiczne w kierunku, który zwiększa obfitość wczesnych galaktyk, jest interesująca – powiedział Marc Kamionkowski, profesor fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, który nie był zaangażowany w badania. Myślę, że trzeba będzie wykonać więcej pracy, aby ustalić związek między wczesnym galaktykami a wczesną ciemną energią, ale niezależnie od tego, jak się sprawy potoczą, jest to sprytna – i miejmy nadzieję, że ostatecznie owocna – rzecz do wypróbowania.
Zademonstrowaliśmy potencjał wczesnej ciemnej energii jako ujednoliconego rozwiązania dwóch głównych problemów kosmologii. Może to być dowód na jej istnienie, jeżeli wyniki obserwacji JWST zostaną jeszcze bardziej skonsolidowane – podsumował profesor fizyki z MIT Mark Vogelsberger. W przyszłości możemy włączyć to do dużych symulacji kosmologicznych, aby zobaczyć, jak szczegółowe prognozy otrzymamy.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
MIT