Naukowcy spodziewają się, że w miarę ewolucji wszechświata duże struktury kosmiczne będą rosły w określonym tempie: gęste obszary, takie jak gromady galaktyk, staną się gęstsze, podczas gdy pustka kosmiczna stanie się bardziej pusta.
Jednak naukowcy z Uniwersytetu Michigan odkryli, że tempo wzrostu tych dużych struktur jest wolniejsze niż przewidywała ogólna teoria względności Einsteina.
Wykazali także, że w miarę jak ciemna energia przyspiesza globalną ekspansję Wszechświata, tłumienie wzrostu struktury kosmicznej, które naukowcy dostrzegają w swoich danych, jest jeszcze bardziej widoczne, niż przewiduje teoria. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters.
Galaktyki oplatają cały nasz wszechświat niczym gigantyczna kosmiczna pajęczyna. Ich rozkład nie jest przypadkowy. Zamiast tego mają tendencję do skupiania się razem. W rzeczywistości cała kosmiczna sieć zaczęła się jako maleńkie grudki materii we wczesnym Wszechświecie, które stopniowo przekształciły się w pojedyncze galaktyki, a ostatecznie w gromady i włókna galaktyk.
„W czasie kosmicznym początkowo niewielka grudka masy przyciąga i gromadzi coraz więcej materii ze swojego lokalnego obszaru w wyniku interakcji grawitacyjnych. W miarę jak region staje się coraz gęstszy, ostatecznie zapada się pod wpływem własnej grawitacji” – powiedział Minh Nguyen, główny autor stażysta i pracownik naukowy podoktorski na Wydziale Fizyki UM.
„Więc w miarę zapadania się grudki stają się coraz gęstsze. To właśnie rozumiemy przez wzrost. To jest jak krosno tekstylne, w którym jedno-, dwu- i trójwymiarowe zapadnięcia wyglądają jak arkusz, włókno i węzeł. Rzeczywistość jest mieszanina wszystkich trzech przypadków i mamy galaktyki żyjące wzdłuż włókien, podczas gdy gromady galaktyk – grupy tysięcy galaktyk, najbardziej masywne obiekty w naszym wszechświecie ograniczone grawitacją – znajdują się w węzłach.”
Wszechświat nie składa się tylko z materii. Prawdopodobnie zawiera także tajemniczy składnik zwany ciemną energią. Ciemna energia przyspiesza ekspansję wszechświata w skali globalnej. Ponieważ ciemna energia przyspiesza ekspansję wszechświata, ma ona odwrotny wpływ na duże struktury.
„Jeśli grawitacja działa jak wzmacniacz, zwiększający zakłócenia materii w strukturę wielkoskalową, wówczas ciemna energia działa jak tłumik tłumiący te zakłócenia i spowalniający wzrost struktury” – powiedział Nguyen. „Badając, w jaki sposób struktura kosmiczna gromadzi się i rośnie, możemy spróbować zrozumieć naturę grawitacji i ciemnej energii”.
Nguyen, profesor fizyki UM Dragan Huterer i absolwent UM Yuewei Wen zbadali czasowy wzrost wielkoskalowych struktur w czasie kosmicznym, używając kilku sond kosmologicznych.
Najpierw zespół wykorzystał tak zwane kosmiczne mikrofalowe tło. Kosmiczne mikrofalowe tło (CMB) składa się z fotonów wyemitowanych tuż po Wielkim Wybuchu. Fotony te dają migawkę bardzo wczesnego Wszechświata. Gdy fotony docierają do naszych teleskopów, ich droga może zostać zniekształcona lub soczewkowana grawitacyjnie przez znajdujące się po drodze struktury o dużej skali. Badając je, badacze mogą wywnioskować, w jaki sposób rozmieszczona jest struktura i materia pomiędzy nami a kosmicznym mikrofalowym tłem.
Nguyen i współpracownicy wykorzystali podobne zjawisko przy słabym soczewkowaniu grawitacyjnym kształtów galaktyk. Światło z galaktyk tła jest zniekształcane w wyniku interakcji grawitacyjnych z materią na pierwszym planie i galaktykami. Następnie kosmolodzy dekodują te zniekształcenia, aby określić, w jaki sposób rozłożona jest pośrednia materia.
„Co najważniejsze, ponieważ KMPT i galaktyki tła znajdują się w różnych odległościach od nas i naszych teleskopów, słabe soczewkowanie grawitacyjne galaktyk zazwyczaj bada rozkłady materii w późniejszym czasie w porównaniu z tym, co jest badane przez słabe soczewkowanie grawitacyjne CMB” – powiedział Nguyen.
Aby prześledzić rozwój struktury w jeszcze późniejszym czasie, badacze wykorzystali dalej ruchy galaktyk we wszechświecie lokalnym. Gdy galaktyki wpadają do studni grawitacyjnych leżących u ich podstaw struktur kosmicznych, ich ruchy bezpośrednio śledzą wzrost struktury.
„Różnica w tempie wzrostu, którą potencjalnie odkryliśmy, staje się coraz bardziej widoczna w miarę zbliżania się do czasów współczesnych” – powiedział Nguyen. „Te różne sondy pojedynczo i łącznie wskazują na zahamowanie wzrostu. Albo brakuje nam pewnych systematycznych błędów w każdej z tych sond, albo w naszym standardowym modelu brakuje nam jakiejś nowej, późnej fizyki”.
Odkrycia potencjalnie dotyczą tak zwanego napięcia S8 w kosmologii. S8 jest parametrem opisującym wzrost struktury. Napięcie pojawia się, gdy naukowcy używają dwóch różnych metod określenia wartości S8 i nie są zgodni. Pierwsza metoda, wykorzystująca fotony z kosmicznego mikrofalowego tła, wskazuje wyższą wartość S8 niż wartość wywnioskowana z pomiarów słabego soczewkowania grawitacyjnego i skupień galaktyk.
Żadna z tych sond nie mierzy obecnie wzrostu struktury. Zamiast tego badają strukturę we wcześniejszych okresach, a następnie ekstrapolują te pomiary na czas obecny, zakładając model standardowy. Kosmiczne mikrofalowe sondy tła we wczesnym wszechświecie, podczas gdy galaktyki słabo soczewkują grawitacyjne i skupiają strukturę sondy w późnym wszechświecie.
Zdaniem Nguyena odkrycie badaczy dotyczące późnego zahamowania wzrostu doprowadziłoby do doskonałej zgodności obu wartości S8.
„Byliśmy zaskoczeni wysokim znaczeniem statystycznym anomalnego zahamowania wzrostu” – powiedział Huterer. „Szczerze mówiąc, mam wrażenie, że Wszechświat próbuje nam coś powiedzieć. Teraz zadaniem nas, kosmologów, jest zinterpretowanie tych odkryć.
„Chcielibyśmy jeszcze bardziej wzmocnić dowody statystyczne na supresję wzrostu. Chcielibyśmy także poznać odpowiedź na trudniejsze pytanie, dlaczego struktury rosną wolniej niż oczekiwano w standardowym modelu z ciemną materią i ciemną energią. Przyczyna tego Efekt może wynikać z nowych właściwości ciemnej energii i ciemnej materii lub z innego rozszerzenia Ogólnej Teorii Względności i modelu standardowego, o którym jeszcze nie pomyśleliśmy.”