Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι οι κοσμικές δομές αναπτύσσονται πιο αργά από ό,τι προβλέπει η Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, με τη σκοτεινή ενέργεια να παίζει πιο κυρίαρχο ανασταλτικό ρόλο από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Αυτό το εύρημα μπορεί να αναδιαμορφώσει την κατανόησή μας για τη σκοτεινή ύλη, τη σκοτεινή ενέργεια και τις θεμελιώδεις κοσμικές θεωρίες.
Καθώς το σύμπαν εξελίσσεται, οι επιστήμονες αναμένουν ότι οι μεγάλες κοσμικές δομές θα αναπτύσσονται με συγκεκριμένο ρυθμό: πυκνές περιοχές όπως τα σμήνη γαλαξιών θα γίνονται πιο πυκνές, ενώ το κενό του διαστήματος θα γίνεται πιο άδειο.
Ωστόσο, ερευνητές του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν ανακάλυψαν ότι ο ρυθμός με τον οποίο αναπτύσσονται αυτές οι μεγάλες δομές είναι πιο αργός από ό,τι είχε προβλέψει η Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν.
Έδειξαν επίσης ότι καθώς η σκοτεινή ενέργεια επιταχύνει την παγκόσμια διαστολή του σύμπαντος, η καταστολή της ανάπτυξης της κοσμικής δομής που βλέπουν οι ερευνητές στα δεδομένα τους είναι ακόμη πιο εμφανής από ό,τι προβλέπει η θεωρία. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν στις 11 Σεπτεμβρίου στο περιοδικό Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης.
Διαβάστε επίσης: Νέα μέθοδος πλήρωσης βελτιώνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας έως και 44%
Ο Κοσμικός Ιστός
Οι γαλαξίες βρίσκονται σε όλο το σύμπαν μας σαν ένας γιγάντιος κοσμικός ιστός αράχνης. Η κατανομή τους δεν είναι τυχαία. Αντίθετα, τείνουν να συγκεντρώνονται μαζί. Στην πραγματικότητα, ολόκληρος ο κοσμικός ιστός ξεκίνησε ως μικροσκοπικές συστάδες ύλης στο πρώιμο σύμπαν, οι οποίες σταδιακά αναπτύχθηκαν σε μεμονωμένους γαλαξίες και τελικά σε σμήνη και νήματα γαλαξιών.
«Σε όλη τη διάρκεια του κοσμικού χρόνου, μια αρχικά μικρή συστάδα μάζας προσελκύει και συσσωρεύει ολοένα και περισσότερη ύλη από την τοπική της περιοχή μέσω της βαρυτικής αλληλεπίδρασης. Καθώς η περιοχή γίνεται όλο και πιο πυκνή, τελικά καταρρέει υπό τη δική της βαρύτητα», δήλωσε ο Minh Nguyen, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Τμήμα Φυσικής του UM.
«Έτσι καθώς καταρρέουν, οι συστάδες γίνονται πιο πυκνές. Αυτό εννοούμε με τον όρο ανάπτυξη. Είναι σαν έναν υφασμάτινο αργαλειό όπου οι μονοδιάστατες, δύο και τρισδιάστατες καταρρεύσεις μοιάζουν με ένα φύλλο, ένα νήμα και έναν κόμβο. Η πραγματικότητα είναι ένα μείγμα και των τριών περιπτώσεων, και έχετε γαλαξίες που ζουν κατά μήκος των νημάτων, ενώ τα σμήνη γαλαξιών – ομάδες χιλιάδων γαλαξιών, τα πιο ογκώδη αντικείμενα στο σύμπαν μας που οριοθετούνται από τη βαρύτητα – κάθονται στους κόμβους.
Σκοτεινή Ενέργεια και Κοσμική Επέκταση
Το σύμπαν δεν αποτελείται μόνο από ύλη. Πιθανότατα περιέχει επίσης ένα μυστηριώδες συστατικό που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια. Η σκοτεινή ενέργεια επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος σε παγκόσμια κλίμακα. Καθώς η σκοτεινή ενέργεια επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος, έχει το αντίθετο αποτέλεσμα στις μεγάλες δομές.
«Αν η βαρύτητα λειτουργεί σαν ενισχυτής που ενισχύει τις διαταραχές της ύλης για να αναπτυχθεί σε δομή μεγάλης κλίμακας, τότε η σκοτεινή ενέργεια λειτουργεί σαν εξασθενητής που μειώνει αυτές τις διαταραχές και επιβραδύνει την ανάπτυξη της δομής», είπε ο Nguyen. «Εξετάζοντας πώς η κοσμική δομή συγκεντρώνεται και αναπτύσσεται, μπορούμε να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τη φύση της βαρύτητας και της σκοτεινής ενέργειας».
Μεθοδολογία και Ανιχνευτές
Ο Nguyen, ο καθηγητής φυσικής του UM Dragan Huterer και ο μεταπτυχιακός φοιτητής του UM Yuewei Wen εξέτασαν τη χρονική ανάπτυξη της δομής μεγάλης κλίμακας σε όλο τον κοσμικό χρόνο χρησιμοποιώντας αρκετούς κοσμολογικούς ανιχνευτές.
Αρχικά, η ομάδα χρησιμοποίησε αυτό που ονομάζεται κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, ή CMB, αποτελείται από φωτόνια που εκπέμπονται αμέσως μετά το Μεγάλη έκρηξη. Αυτά τα φωτόνια παρέχουν ένα στιγμιότυπο του πολύ πρώιμου σύμπαντος. Καθώς τα φωτόνια ταξιδεύουν στα τηλεσκόπια μας, η διαδρομή τους μπορεί να παραμορφωθεί ή να γίνει βαρυτικός φακός, λόγω δομής μεγάλης κλίμακας στην πορεία. Εξετάζοντάς τα, οι ερευνητές μπορούν να συμπεράνουν πώς κατανέμεται η δομή και η ύλη μεταξύ μας και του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου.
Ο Nguyen και οι συνεργάτες του εκμεταλλεύτηκαν ένα παρόμοιο φαινόμενο με ασθενή βαρυτικό φακό των σχημάτων των γαλαξιών. Το φως από τους γαλαξίες του υποβάθρου παραμορφώνεται μέσω βαρυτικών αλληλεπιδράσεων με την ύλη και τους γαλαξίες στο προσκήνιο. Οι κοσμολόγοι στη συνέχεια αποκωδικοποιούν αυτές τις παραμορφώσεις για να προσδιορίσουν πώς κατανέμεται η παρεμβαλλόμενη ύλη.
«Κυρίως, καθώς ο CMB και οι γαλαξίες του φόντου βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις από εμάς και τα τηλεσκόπια μας, ο ασθενής βαρυτικός φακός των γαλαξιών συνήθως ανιχνεύει τις κατανομές ύλης σε μεταγενέστερο χρόνο σε σύγκριση με αυτό που ανιχνεύεται από τον ασθενή βαρυτικό φακό CMB», είπε ο Nguyen.
Για να παρακολουθήσουν την ανάπτυξη της δομής σε μια ακόμη μεταγενέστερη εποχή, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν περαιτέρω κινήσεις γαλαξιών στο τοπικό σύμπαν. Καθώς οι γαλαξίες πέφτουν στα φρεάτια βαρύτητας των υποκείμενων κοσμικών δομών, οι κινήσεις τους παρακολουθούν άμεσα την ανάπτυξη της δομής.
«Η διαφορά σε αυτούς τους ρυθμούς ανάπτυξης που δυνητικά ανακαλύψαμε γίνεται πιο εμφανής όσο πλησιάζουμε στο σήμερα», είπε ο Nguyen. «Αυτοί οι διαφορετικοί ανιχνευτές μεμονωμένα και συλλογικά δείχνουν μια καταστολή της ανάπτυξης. Είτε μας λείπουν κάποια συστηματικά λάθη σε καθέναν από αυτούς τους ανιχνευτές, είτε μας λείπει κάποια νέα, τελευταίας εποχής φυσική στο τυπικό μας μοντέλο».
Αντιμετώπιση της έντασης του S8
Τα ευρήματα δυνητικά αντιμετωπίζουν τη λεγόμενη ένταση S8 στην κοσμολογία. Το S8 είναι μια παράμετρος που περιγράφει την ανάπτυξη της δομής. Η ένταση προκύπτει όταν οι επιστήμονες χρησιμοποιούν δύο διαφορετικές μεθόδους για να προσδιορίσουν την τιμή του S8 και δεν συμφωνούν. Η πρώτη μέθοδος, χρησιμοποιώντας φωτόνια από το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, υποδεικνύει υψηλότερη τιμή S8 από την τιμή που προκύπτει από μετρήσεις ασθενούς βαρυτικού φακού και γαλαξιακών μετρήσεων.
Κανένας από αυτούς τους ανιχνευτές δεν μετρά την ανάπτυξη της δομής σήμερα. Αντίθετα, διερευνούν τη δομή σε προηγούμενες χρονικές στιγμές και στη συνέχεια προεκτείνουν αυτές τις μετρήσεις στον παρόντα χρόνο, υποθέτοντας το τυπικό μοντέλο. Οι κοσμικοί ανιχνευτές μικροκυμάτων υποβάθρου δομούνται στο πρώιμο σύμπαν, ενώ ο ασθενής βαρυτικός φακός και η δομή του ανιχνευτή ομαδοποίησης γαλαξιών στο ύστερο σύμπαν.
Τα ευρήματα των ερευνητών για μια καθυστερημένη καταστολή της ανάπτυξης θα έφερναν τις δύο τιμές S8 σε τέλεια συμφωνία, σύμφωνα με τον Nguyen.
«Μας εξέπληξε η υψηλή στατιστική σημασία της ανώμαλης καταστολής της ανάπτυξης», είπε ο Huterer. «Ειλικρινά, νιώθω ότι το σύμπαν προσπαθεί να μας πει κάτι. Τώρα είναι δουλειά μας των κοσμολόγων να ερμηνεύσουμε αυτά τα ευρήματα.
«Θα θέλαμε να ενισχύσουμε περαιτέρω τα στατιστικά στοιχεία για την καταστολή της ανάπτυξης. Θα θέλαμε επίσης να κατανοήσουμε την απάντηση στο πιο δύσκολο ερώτημα γιατί οι δομές αναπτύσσονται πιο αργά από το αναμενόμενο στο τυπικό μοντέλο με σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια. Η αιτία αυτού του φαινομένου μπορεί να οφείλεται σε νέες ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης, ή σε κάποια άλλη επέκταση της Γενικής Σχετικότητας και του καθιερωμένου μοντέλου που δεν έχουμε ακόμη σκεφτεί».
Παραπομπή: «Στοιχεία για την καταστολή της δομικής ανάπτυξης στο κοσμολογικό μοντέλο Concordance» από τους Nhat-Minh Nguyen, Dragan Huterer και Yuewei Wen, 11 Σεπτεμβρίου 2023, Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.111001
Διαβάστε επίσης:
Η NASA Power Hack παρατείνει ακόμη περισσότερο την αποστολή Voyager 2 για 45 χρόνια
