Wczesna ciemna energia może pomóc rozwiązać dwie największe zagadki kosmologii
Nowe badanie sugeruje, że tajemnicza siła znana jako wczesna ciemna energia może rozwiązać dwie z największych zagadek w kosmologii i wypełnić kilka luk w rozumieniu tego, jak ewoluował Wszechświat.
Pierwszą z głównych zagadek kosmologii (nauka empiryczna zajmująca się strukturą i ewolucją Wszechświata) jest „napięcie Hubble’a”, które odnosi się do rozbieżności w pomiarach tempa ekspansji Wszechświata. Druga odnosi się do obserwacji przez naukowców wielu wczesnych, jasnych galaktyk, które istniały w czasie, gdy młody kosmos powinien nie powinien posiadać tak wielu struktur tego typu.
Astronomowie z Massachusetts Institute of Technology (MIT) odkryli, że obie zagadki mogłyby zostać rozwiązane, gdyby wczesny Wszechświat miał jeden dodatkowy, efemeryczny składnik – wczesną ciemną energię. Ciemna energia to nieznana forma energii, którą fizycy podejrzewają o napędzanie ekspansji kosmosu.
Wczesna ciemna energia to podobne hipotetyczne zjawisko, które mogło pojawić się tylko na krótką chwilę, wpływając na ekspansję Wszechświata w jego najwcześniejszych momentach, zanim całkowicie zniknęła.
Niektórzy fizycy podejrzewali, że wczesna ciemna energia może być kluczem do rozwiązania problemu napięcia Hubble’a, ponieważ ta tajemnicza siła mogłaby przyspieszyć wczesną ekspansję Wszechświata wielkość, która rozwiązałaby niedopasowanie pomiarowe.
Naukowcy z MIT odkryli teraz, że wczesna ciemna energia może również wyjaśniać zaskakującą liczbę jasnych galaktyk, które astronomowie zaobserwowali we wczesnym kosmosie. W swoim nowym badaniu, opublikowanym w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, badacze modelowali powstawanie 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 do poziomu zgodnego z obserwacjami astronomów.
„Mamy do czynienia z dwiema otwartymi zagadkami. Odkryliśmy, że w rzeczywistości wczesna ciemna energia jest bardzo trafnym i niezwykłym rozwiązaniem dwóch najbardziej palących problemów w kosmologii” – mówi Rohan Naidu z MIT.
Opierając się na standardowych modelach kosmologicznych i modelach, wczesne galaktyki nie powinny pojawiać się zbyt często we Wszechświecie. Początkowy gaz potrzebowałby miliardów lat, aby połączyć się w tak duże i jasne obiekty jak Droga Mleczna.
Jednak w 2023 r. należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) dokonał zaskakującej obserwacji. Dzięki możliwości spojrzenia dalej w przeszłość niż jakiekolwiek wcześniejsze obserwatorium, odkrył on zaskakującą liczbę jasnych galaktyk tak dużych jak współczesna Droga Mleczna, powstałych w ciągu pierwszych 500 milionów lat, kiedy Wszechświat miał zaledwie 3 proc. swojego obecnego wieku.
Dla fizyków obserwacje te wskazywały, że albo coś jest nie tak z fizyką leżącą u podstaw modeli, albo we wczesnym kosmosie brakuje jakiegoś składnika, którego naukowcy nie wzięli pod uwagę. Astrofizycy z MIT zbadali możliwość tego drugiego i czy takim brakującym składnikiem może być wczesna ciemna energia.
Naukowcy zaproponowali, że wczesna ciemna energia mogła być rodzajem siły antygrawitacyjnej, która była obecna tylko w bardzo wczesnych okresach. Przeciwdziałałaby przyciąganiu grawitacyjnemu i przyspieszała wczesną ekspansję Wszechświata w sposób, który rozwiązałby rozbieżności w pomiarach. Wczesna ciemna energia jest zatem uważana przez badaczy za najbardziej prawdopodobne rozwiązanie problemu napięcia Hubble’a.
Astronomowie przeanalizowali czy mogła być również kluczem do wyjaśnienia nieoczekiwanej populacji dużych, jasnych galaktyk wykrytych przez JWST. W swoim badaniu zastanawiali się, w jaki sposób mogłaby wpłynąć na wczesną strukturę Wszechświata, która dała początek pierwszym galaktykom. Skupili się na formowaniu się halo ciemnej materii – regionów przestrzeni, w których grawitacja jest silniejsza i gdzie materia zaczyna się gromadzić.
„Uważamy, że halo ciemnej materii są niewidzialnym szkieletem Wszechświata. Najpierw tworzą się struktury ciemnej materii, a następnie tworzą się w nich większe struktury. Spodziewamy się więc, że liczba jasnych galaktyk powinna być proporcjonalna do liczby dużych halo ciemnej materii” – wyjaśnia Shen.
Badacze opracowali empiryczne ramy dla wczesnego formowania się galaktyk, które przewidują liczbę, jasność i rozmiar struktur, które powinny powstać we wczesnym Wszechświecie, biorąc pod uwagę pewne miary „parametrów kosmologicznych”. Parametry kosmologiczne to podstawowe składniki lub terminy matematyczne, 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 utworzyły się aureole ciemnej materii.
Astronomowie doszli do wniosku, że jeśli wczesna ciemna energia wpływała na początkowe tempo ekspansji Wszechświata w sposób, który mógłby rozwiązać napięcie Hubble’a, to mogła również wpłynąć na równowagę innych parametrów kosmologicznych w sposób, który mógł zwiększyć liczbę jasnych galaktyk.
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 mogły ewoluować najwcześniejsze struktury ciemnej materii i dać początek pierwszym galaktykom.
„Pokazujemy, że szkieletowa struktura wczesnego Wszechświata jest zmieniana w subtelny sposób, w którym amplituda fluktuacji wzrasta i uzyskujemy większe halo i jaśniejsze galaktyki, które są na miejscu we wcześniejszych okresach, bardziej niż w naszych bardziej waniliowych modelach. Oznacza to, że we wczesnym Wszechświecie wszystko było bardziej obfite i bardziej skoncentrowane” – tłumaczy Naidu.
„Zademonstrowaliśmy potencjał wczesnej ciemnej energii jako ujednoliconego rozwiązania dwóch głównych problemów w kosmologii. Może to dostarczyć dowodów na jej istnienie, jeśli wyniki obserwacji JWST zostaną jeszcze bardziej skonsolidowane. W przyszłości możemy włączyć to do dużych symulacji kosmologicznych, aby zobaczyć, jakie szczegółowe przewidywania otrzymamy” – podsumowuje Mark Vogelsberger z MIT.
Emil Gołoś