MIT fizycy sugerują, że wczesna ciemna energia, tajemnicza siła, może być kluczem do rozwiązania „napięcia Hubble’a” i zaskakującego odkrycia licznych jasnych, wczesnych galaktyk.
Uważa się, że ta forma energii wywarła wpływ na wszechświat na krótko po Wielki Wybuchmoże wyjaśnić, dlaczego Wszechświat rozszerza się w obserwowanym obecnie tempie i dlaczego na początku istniało więcej dużych galaktyk, niż wcześniej sądzono. Odkrycia sugerują, że wczesna ciemna energia może znacząco zmienić wczesną strukturę Wszechświata, potencjalnie zwiększając liczbę jasnych galaktyk powstałych w tym okresie.
Nowe badanie przeprowadzone przez fizyków z MIT sugeruje, że tajemnicza siła znana jako wczesna ciemna energia może rozwiązać dwie z największych zagadek kosmologii i wypełnić kilka głównych luk w naszym rozumieniu ewolucji wczesnego Wszechświata.
Kosmiczne zagadki i wczesna ciemna energia
Jedną z zagadek, o których mowa, jest „napięcie Hubble’a”, które odnosi się do rozbieżności w pomiarach szybkości rozszerzania się Wszechświata. Drugi dotyczy obserwacji wielu wczesnych, jasnych galaktyk, które istniały w czasie, gdy wczesny Wszechświat powinien być znacznie mniej zaludniony.
Teraz zespół z 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 dzisiejszą ekspansję Wszechświata. Wczesna ciemna energia to podobne, hipotetyczne zjawisko, które mogło pojawić się jedynie na krótko, wpływając na ekspansję Wszechświata w jego pierwszych chwilach, zanim całkowicie zniknie.
Niektórzy fizycy podejrzewali, że wczesna ciemna energia może być kluczem do rozwiązania napięcia Hubble’a, ponieważ tajemnicza siła może przyspieszyć wczesną ekspansję Wszechświata o wielkość, która rozwiązałaby niedopasowanie pomiarów.
Rola wczesnej ciemnej energii w dynamice wczesnego Wszechświata
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 w czasopiśmie „ Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego, zespół stworzył model powstawania galaktyk w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat istnienia Wszechświata. Kiedy włączyli składnik ciemnej energii dopiero w tym najwcześniejszym fragmencie czasu, odkryli, że liczba galaktyk, które powstały z pierwotnego środowiska, rozkwitła, odpowiadając obserwacjom astronomów.
„Mamy dwie wyłaniające się otwarte łamigłówki” – mówi współautor badania Rohan Naidu, postdoc w Kavli Institute for Astrophysics and Space Research w MIT. „Odkryliśmy, że wczesna ciemna energia jest bardzo eleganckim i rzadkim rozwiązaniem dwóch najbardziej palących problemów kosmologii”.
Współautorami badania są główny autor i doktor Kavli Xuejian (Jacob) Shen oraz profesor fizyki MIT Mark Vogelsberger, a także Michael Boylan-Kolchin z Uniwersytetu Teksasu w Austin i Sandro Tacchella z Uniwersytetu w Cambridge.
Światła wielkiego miasta
Opierając się na standardowych modelach kosmologicznych i modelach powstawania galaktyk, Wszechświat powinien był poświęcić trochę czasu na wirowanie pierwszych galaktyk. Scalenie się pierwotnego gazu w galaktyki tak duże i jasne jak Ziemia zajęłoby miliardy lat. Droga Mleczna.
Ale w 2023 r. NASA’S Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) dokonał zaskakującej obserwacji. Dzięki możliwości zaglądania w przeszłość dalej 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 procent swojego obecnego wieku.
„Jasne galaktyki zaobserwowane przez JWST przypominałyby skupienie świateł wokół dużych miast, podczas gdy teoria przewiduje coś na kształt światła wokół bardziej wiejskich miejsc, takich jak Park Narodowy Yellowstone” – mówi Shen. „I nie spodziewamy się takiego skupienia światła tak wcześnie”.
Dla fizyków obserwacje sugerują, że albo coś jest zasadniczo nie tak z fizyką leżącą u podstaw modeli, albo we wczesnym Wszechświecie brakuje składnika, którego naukowcy nie uwzględnili. Zespół MIT zbadał możliwość tego drugiego przypadku i sprawdził, czy brakującym składnikiem może być wczesna ciemna energia.
Fizycy zaproponowali, że wczesna ciemna energia jest rodzajem siły antygrawitacyjnej, która włącza się dopiero w bardzo wczesnym momencie. Siła ta przeciwdziałałaby przyciąganiu grawitacyjnemu do wewnątrz i przyspieszałaby wczesną ekspansję Wszechświata w sposób, który rozwiązałby rozbieżności w pomiarach. Dlatego wczesna ciemna energia jest uważana za najbardziej prawdopodobne rozwiązanie 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 swoim nowym badaniu fizycy rozważyli, jak wczesna ciemna energia może wpłynąć na wczesną strukturę Wszechświata, który dał początek pierwszym galaktykom. Skoncentrowali się na tworzeniu aureoli ciemnej materii – obszarach przestrzeni, w których grawitacja jest silniejsza i gdzie materia zaczyna się gromadzić.
„Wierzymy, że aureole ciemnej materii to niewidzialny szkielet wszechświata” – wyjaśnia Shen. „Najpierw tworzą się struktury ciemnej materii, a następnie w obrębie tych struktur tworzą się galaktyki. Oczekujemy zatem, że liczba jasnych galaktyk powinna być proporcjonalna do liczby dużych halo ciemnej materii.”
Przyszłe implikacje i wkład teoretyczny
Zespół opracował ramy empiryczne dotyczące wczesnego powstawania galaktyk, które przewidują liczbę, jasność i rozmiar galaktyk, które powinny powstać we wczesnym Wszechświecie, biorąc pod uwagę pewne miary „parametrów kosmologicznych”. Parametry kosmologiczne to podstawowe składniki, czyli terminy matematyczne opisujące ewolucję wszechświata.
Fizycy ustalili, że istnieje co najmniej sześć głównych parametrów kosmologicznych, z których jednym jest stała Hubble’a – termin opisujący tempo rozszerzania się Wszechświata. Inne parametry opisują wahania gęstości pierwotnej zupy bezpośrednio po Wielkim Wybuchu, z którego ostatecznie powstają aureole ciemnej materii.
Zespół z MIT doszedł do wniosku, że jeśli wczesna ciemna energia wpływa na wczesną ekspansję Wszechświata w sposób rozwiązujący napięcie Hubble’a, to może wpłynąć na równowagę innych parametrów kosmologicznych w sposób, który może zwiększyć liczbę pojawiających się jasnych galaktyk we wczesnych godzinach. Aby przetestować swoją teorię, włączyli model wczesnej ciemnej energii (tej samej, która rozwiązuje napięcie Hubble’a) do empirycznych ram formowania się galaktyk, aby zobaczyć, jak ewoluowały najwcześniejsze struktury ciemnej materii i dały początek pierwszym galaktykom.
„Pokazujemy, że struktura szkieletu wczesnego Wszechświata ulega subtelnym zmianom wraz ze wzrostem amplitudy fluktuacji, co skutkuje większymi aureolami i jaśniejszymi galaktykami, które istniały wcześniej, bardziej niż w naszym bardziej modele waniliowe” – mówi Naidu. „Oznacza to, że we wczesnym wszechświecie rzeczy były liczniejsze i bardziej skupione”.
Wnioski i perspektywy przyszłych badań
„A priori nie spodziewałbym się, że liczebność wczesnych jasnych galaktyk w JWST będzie miała cokolwiek wspólnego z wczesną ciemną energią, ale ich obserwacja, że EDE przesuwa parametry kosmologiczne w kierunku, który zwiększa liczebność wczesnych galaktyk, jest interesująca” – mówi Marc Kamionkowskiego, profesora fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, który nie był zaangażowany w badania. „Myślę, że trzeba będzie włożyć więcej pracy, aby ustalić powiązanie między wczesnymi galaktykami a EDE, ale niezależnie od tego, jak się sprawy potoczą, jest to sprytna – i miejmy nadzieję, ostatecznie owocna – metoda, której warto spróbować”.
„Pokazaliśmy potencjał wczesnej ciemnej energii jako jednolitego rozwiązania dwóch głównych problemów, przed którymi stoi kosmologia. Może to stanowić dowód na jego istnienie, jeśli ustalenia obserwacyjne JWST zostaną w dalszym ciągu skonsolidowane” – podsumowuje Vogelsberger. „W przyszłości możemy włączyć to do dużych symulacji kosmologicznych, aby zobaczyć, jakie szczegółowe prognozy otrzymamy”.
Odniesienie: „Wczesne galaktyki i wczesna ciemna energia: ujednolicone rozwiązanie napięcia Hubble’a i zagadek masywnych jasnych galaktyk ujawnionych przez JWST”: Xuejian Shen, Mark Vogelsberger, Michael Boylan-Kolchin, Sandro Tacchella i Rohan P Naidu, 13 września 2024 r., Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
DOI: 10.1093/mnras/stae1932
Badania te były częściowo wspierane przez NASA i National Science Foundation.
