20.09.2024. - Темная энергия может разрешить загадки космологии

Темная энергия может разрешить загадки космологии

Новое исследование физиков Массачусетского технологического института предполагает, что таинственная сила, известная как ранняя темная энергия, может решить две самые большие загадки в космологии и заполнить некоторые серьезные пробелы в нашем понимании того, как развивалась ранняя Вселенная.

Одной из загадок, о которой идет речь, является "напряженность Хаббла", которая связана с несоответствием в измерениях скорости расширения Вселенной. Другая проблема связана с наблюдениями за многочисленными ранними яркими галактиками, существовавшими в то время, когда ранняя Вселенная должна была быть гораздо менее населенной.

Теперь команда Массачусетского технологического института обнаружила, что обе загадки можно было бы разрешить, если бы у ранней Вселенной был один дополнительный, мимолетный компонент: ранняя темная энергия. Темная энергия - это неизвестная форма энергии, которая, как подозревают физики, является движущей силой расширения Вселенной сегодня.

Ранняя темная энергия - это аналогичное гипотетическое явление, которое, возможно, проявлялось лишь на короткое время, влияя на расширение Вселенной в первые моменты ее существования, прежде чем полностью исчезнуть.

Некоторые физики подозревали, что ранняя темная энергия может быть ключом к разгадке теории Хаббла, поскольку таинственная сила могла ускорить раннее расширение Вселенной на величину, которая позволила бы устранить несоответствие измерений.

Исследователи Массачусетского технологического института теперь обнаружили, что ранняя темная энергия может также объяснить поразительное количество ярких галактик, которые астрономы наблюдали в ранней Вселенной. В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Monthly Notices Королевского астрономического общества, команда ученых смоделировала формирование галактик в первые несколько сотен миллионов лет существования Вселенной.

Когда они включили компонент темной энергии только в тот самый ранний промежуток времени, они обнаружили, что количество галактик, возникших из изначальной среды, увеличилось в соответствии с наблюдениями астрономов.

"Перед вами две нерешенные загадки", - говорит соавтор исследования Рохан Найду, постдок Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. "Мы обнаружили, что на самом деле ранняя темная энергия является очень элегантным и редким решением двух самых насущных проблем в космологии".

Соавторами исследования являются ведущий автор и постдок Кавли Сюэцзянь (Джейкоб) Шен, профессор физики Массачусетского технологического института Марк Фогельсбергер, а также Майкл Бойлан-Колчин из Техасского университета в Остине и Сандро Такчелла из Кембриджского университета.

Огни большого города

Согласно стандартным космологическим моделям и моделям формирования галактик, Вселенной потребовалось бы время для формирования первых галактик. Чтобы первичный газ сформировался в галактики, такие же большие и яркие, как Млечный Путь, потребовались бы миллиарды лет.

Но в 2023 году космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба (JWST) сделал поразительное наблюдение. Обладая способностью заглядывать в прошлое дальше, чем любая обсерватория на сегодняшний день, телескоп обнаружил удивительное количество ярких галактик размером с современный Млечный Путь в течение первых 500 миллионов лет, когда возраст Вселенной составлял всего 3% от ее нынешнего.

"Яркие галактики, которые наблюдал JWST, были бы похожи на скопление огней вокруг больших городов, в то время как теория предсказывает что-то похожее на свет в сельской местности, например, в Йеллоустонском национальном парке", - говорит Шен. "И мы не ожидаем такого скопления света так рано".

Для физиков эти наблюдения означают, что либо в физике, лежащей в основе моделей, есть что-то фундаментально неправильное, либо в ранней Вселенной отсутствует какой-то компонент, который ученые не учли. Команда Массачусетского технологического института исследовала возможность последнего и то, может ли отсутствующим компонентом быть ранняя темная энергия.

Физики предположили, что ранняя темная энергия - это своего рода антигравитационная сила, которая включается только в очень ранние периоды времени. Эта сила могла бы противодействовать притяжению вовнутрь и ускорить раннее расширение Вселенной таким образом, чтобы устранить несоответствие в измерениях. Таким образом, ранняя темная энергия считается наиболее вероятным объяснением напряженности Хаббла.

Скелет галактики

Команда Массачусетского технологического института исследовала, может ли ранняя темная энергия также быть ключом к объяснению неожиданного количества крупных ярких галактик, обнаруженных JWST. В своем новом исследовании физики рассмотрели, как ранняя темная энергия могла повлиять на раннюю структуру Вселенной, которая привела к появлению первых галактик. Они сосредоточились на формировании ореолов темной материи — областей пространства, где гравитация оказывается сильнее и где материя начинает накапливаться.

"Мы считаем, что гало из темной материи - это невидимый каркас Вселенной", - объясняет Шен. "Сначала формируются структуры из темной материи, а затем внутри этих структур формируются галактики. Таким образом, мы ожидаем, что количество ярких галактик должно быть пропорционально количеству больших гало из темной материи".

Команда разработала эмпирическую основу для раннего формирования галактик, которая предсказывает количество, светимость и размер галактик, которые должны были образоваться в ранней Вселенной, с учетом некоторых "космологических параметров". Космологические параметры - это основные составляющие, или математические термины, которые описывают эволюцию Вселенной.

Физики определили, что существует по меньшей мере шесть основных космологических параметров, одним из которых является постоянная Хаббла — термин, описывающий скорость расширения Вселенной. Другие параметры описывают колебания плотности в первичном бульоне сразу после Большого взрыва, из которого в конечном итоге образуются ореолы темной материи.

Команда Массачусетского технологического института пришла к выводу, что если ранняя темная энергия влияет на скорость раннего расширения Вселенной таким образом, что устраняет напряженность Хаббла, то это может повлиять на баланс других космологических параметров, что может привести к увеличению числа ярких галактик, которые появляются на ранней стадии.

Чтобы проверить свою теорию, они включили модель ранней темной энергии (ту самую, которая, как оказалось, разрешила проблему Хаббла) в эмпирическую схему формирования галактик, чтобы увидеть, как эволюционируют самые ранние структуры темной материи и дают начало первым галактикам.

"Мы показываем, что скелетная структура ранней Вселенной слегка изменяется, когда амплитуда колебаний увеличивается, и вы получаете более крупные ореолы и более яркие галактики, которые существовали в более ранние времена, в большей степени, чем в наших более простых моделях", - говорит Найду. "Это означает, что в ранней Вселенной все было более многочисленным и сгруппированным".

"Априори я бы не ожидал, что обилие ранних ярких галактик JWST как-то связано с ранней темной энергией, но их наблюдение о том, что EDE подталкивает космологические параметры в направлении, повышающем обилие ранних галактик, интересно", - говорит Марк Камионковски, профессор теоретической физики в Университете Джона Хопкинса Университет, который не принимал участия в исследовании.

"Я думаю, что потребуется проделать больше работы, чтобы установить связь между ранними галактиками и EDE, но независимо от того, как все обернется, это разумная и, надеюсь, в конечном счете плодотворная попытка".

"Мы продемонстрировали потенциал ранней темной энергии как единого решения двух основных проблем, с которыми сталкивается космология. Это может стать доказательством ее существования, если результаты наблюдений JWST будут еще более обобщены", - заключает Фогельсбергер.

"В будущем мы сможем включить это в масштабное космологическое моделирование, чтобы увидеть, какие подробные прогнозы мы получим".

Источник