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 poważne luki w naszej wiedzy na temat ewolucji wczesnego wszechświata.
Jedną z zagadek jest „napięcie Hubble'a”, które odnosi się do niezgodności w pomiarach tego, jak szybko rozszerza się wszechświat. Druga dotyczy obserwacji licznych wczesnych, jasnych galaktyk, które istniały w czasie, gdy wczesny wszechświat powinien być znacznie mniej zaludniony.
Teraz zespół MIT odkrył, że obie zagadki mogłyby zostać rozwiązane, 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 krótko, wpływając na ekspansję wszechświata w pierwszych chwilach, zanim całkowicie zniknęło.
Niektórzy fizycy podejrzewają, że wczesna ciemna energia może być kluczem do rozwiązania problemu napięcia Hubble'a, ponieważ tajemnicza siła może przyspieszyć wczesną ekspansję wszechświata w stopniu, który rozwiąże problem niezgodności pomiarów.
Naukowcy z MIT odkryli teraz, że wczesna ciemna energia może również wyjaśniać zdumiewającą liczbę jasnych galaktyk, które astronomowie zaobserwowali we wczesnym wszechświecie. W swoim nowym badaniu, opublikowanym w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, zespół stworzył model powstawania galaktyk w pierwszych kilkuset milionach lat wszechświata. Gdy włączyli składnik ciemnej energii tylko w tym najwcześniejszym ułamku czasu, odkryli, że liczba galaktyk, które powstały z pierwotnego środowiska, rozkwitła, aby pasować do obserwacji astronomów.
“„Mamy te dwie nadciągające zagadki bez końca” — mówi współautor badania Rohan Naidu, postdoktorant w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavliego w MIT. „Odkrywamy, że w rzeczywistości wczesna ciemna energia jest bardzo eleganckim i rzadkim rozwiązaniem dwóch najbardziej palących problemów w kosmologii”.
Współautorami badania są główny autor i doktorant Kavliego, Xuejian (Jacob) Shen, a także profesor fizyki MIT Mark Vogelsberger, a także Michael Boylan-Kolchin z University of Texas w Austin i Sandro Tacchella z University of Cambridge.
Światła wielkiego miasta
Opierając się na standardowych modelach kosmologicznych i formowania się galaktyk, wszechświat powinien był poświęcić trochę czasu na rozkręcenie pierwszych galaktyk. Musiałyby minąć miliardy lat, zanim pierwotny gaz połączy się w galaktyki tak duże i jasne jak Droga Mleczna.
Ale w 2023 roku James Webb Space Telescope (JWST) NASA dokonał zaskakującej obserwacji. Dzięki możliwości zajrzenia dalej w czasie niż jakiekolwiek dotychczasowe obserwatorium, teleskop odkrył zaskakująco wiele jasnych galaktyk tak dużych jak współczesna Droga Mleczna w ciągu pierwszych 500 milionów lat, gdy wszechświat miał zaledwie 3 procent swojego obecnego wieku.
„Jasne galaktyki, które dostrzegł JWST, byłyby jak skupiska świateł wokół dużych miast, podczas gdy teoria przewiduje coś w rodzaju światła wokół bardziej wiejskich obszarów, takich jak Park Narodowy Yellowstone” — mówi Shen. „I nie spodziewamy się takiego skupiska światła tak wcześnie”.
Dla fizyków obserwacje te oznaczają, że albo coś jest fundamentalnie 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 antygrawitacyjnej, która jest włączana tylko w bardzo wczesnych momentach. Siła ta przeciwdziałałaby przyciąganiu grawitacyjnemu do wewnątrz i przyspieszała wczesną ekspansję wszechświata w sposób, który rozwiązałby niedopasowanie w pomiarach. Wczesna ciemna energia jest zatem uważana za najbardziej prawdopodobne rozwiązanie napięcia Hubble'a.
Szkielet galaktyki
Zespół MIT badał, czy wczesna ciemna energia może być również kluczem do wyjaśnienia nieoczekiwanej populacji dużych, jasnych galaktyk wykrytych przez JWST. W swoim nowym badaniu fizycy rozważali, w jaki sposób wczesna ciemna energia może wpływać na wczesną strukturę wszechświata, która dała początek pierwszym galaktykom. Skupili się na tworzeniu halo ciemnej materii — obszarów przestrzeni, w których grawitacja jest silniejsza i gdzie materia zaczyna się gromadzić.
„Uważamy, że halo ciemnej materii to niewidzialny szkielet wszechświata” – wyjaśnia Shen. „Najpierw powstają struktury ciemnej materii, a następnie w ich obrębie tworzą się galaktyki. Dlatego spodziewamy się, że liczba jasnych galaktyk powinna być proporcjonalna do liczby dużych halo ciemnej materii”.
Zespół opracował empiryczne ramy dla wczesnego formowania się 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 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 powstają halo ciemnej materii.
Zespół MIT doszedł do wniosku, że jeśli wczesna ciemna energia wpływa na wczesną szybkość ekspansji wszechświata w sposób, który rozwiązuje napięcie Hubble'a, to może wpłynąć na równowagę innych parametrów kosmologicznych w sposób, który może zwiększyć liczbę jasnych galaktyk pojawiających się we wczesnych czasach. Aby przetestować swoją teorię, włączyli model wczesnej ciemnej energii (ten sam, który przypadkowo rozwiązuje napięcie Hubble'a) do empirycznych ram formowania się galaktyk, aby zobaczyć, w jaki sposób najwcześniejsze struktury ciemnej materii ewoluują i dają początek pierwszym galaktykom.
„Pokazujemy, że struktura szkieletowa wczesnego wszechświata ulega subtelnym zmianom, w których amplituda fluktuacji wzrasta, a pojawiają się większe halo i jaśniejsze galaktyki, które były na swoim miejscu we wcześniejszych czasach, bardziej niż w naszych bardziej klasycznych modelach” — mówi Naidu. „Oznacza to, że rzeczy były bardziej liczne i bardziej skupione we wczesnym wszechświecie”.
„A priori nie spodziewałbym się, że obfitość wczesnych jasnych galaktyk JWST będzie miała cokolwiek wspólnego z wczesną ciemną energią, ale ich obserwacja, że EDE przesuwa parametry kosmologiczne w kierunku, który zwiększa obfitość wczesnych galaktyk, jest interesująca” — mówi Marc Kamionkowski, profesor fizyki teoretycznej na Johns Hopkins University, który nie był zaangażowany w badanie. „Myślę, że trzeba będzie wykonać więcej pracy, aby ustalić związek między wczesnymi galaktykami a EDE, ale niezależnie od tego, jak się to potoczy, jest to sprytne — i miejmy nadzieję, że ostatecznie owocne — działanie”.
“Wykazaliśmy potencjał wczesnej ciemnej energii jako zunifikowanego rozwiązania dwóch głównych problemów, z którymi zmaga się kosmologia. Może to być dowód na jej istnienie, jeśli obserwacyjne ustalenia JWST zostaną dalej skonsolidowane”, podsumowuje Vogelsberger. „W przyszłości możemy włączyć to do dużych symulacji kosmologicznych, aby zobaczyć, jakie szczegółowe prognozy otrzymamy”.
Badania te były częściowo finansowane przez NASA i Narodową Fundację Naukową.