Odkrycie drugiej po Gigantycznym Łuku ogromnej struktury w odległym Wszechświecie stanowi kolejne wyzwanie dla niektórych podstawowych założeń kosmologicznych.
Zgodnie ze standardowym modelem kosmologicznym, wczesny Wszechświat powinien być dość jednorodny – tylko z drobnymi strukturami lub niejednorodnościami. Jednak w 2021 roku została odkryta struktura złożona z galaktyk, które tworzą gigantyczny łuk rozciągający się aż na 3,3 miliarda l.św. Obecnie odkryto drugą wielkoskalową strukturę wyglądającą jak ogromny okrąg zbudowany z galaktyk, której nadano pseudonim Wielki Pierścień (ang. Big Ring). Razem z Gigantycznym Łukiem (ang. Giant Arc) stanowią wyzwanie dla standardowego modelu kosmologicznego.
Te wielkoskalowe struktury we Wszechświecie zostały odkryte przez Alexię Lopez – doktorantkę na University of Central Lancashire (UK) we współpracy z Rogerem Clowesem i Gerardem Willigerem i znajdują się w takiej samej odległości od nas – co oznacza, że istniały w tym samym czasie kosmologicznym, gdy Wszechświat był 1,8 raza mniejszy niż obecnie. Rozciągają się na niebie na około 12 stopni w pobliżu gwiazdozbioru Wolarza (patrz ilustracja tytułowa).
Wielki Pierścień i Gigantyczny Łuk składają się z galaktyk, które są tak ciemne i słabe, że nie jest możliwe ich dostrzeżenie w normalny sposób na zdjęciach. Tutaj wykorzystano fakt, że światło odległych kwazarów (jasne punktowe źródła generowane przez aktywne czarne dziury w jądrach galaktyk) przenika przez te słabe galaktyki znajdujące się bliżej niż kwazary i część światła jest pochłaniana przez ich obłoki gazowe.
W szczególności Lopez ze współpracownikami poszukiwali śladów słabych galaktyk, które pochłaniały promieniowanie jonów magnezu (Mg II). W danych z przeglądu obserwacyjnego SDSS (skrót z j.ang. Sloan Digital Sky Survey) znaleziono zarówno położenie, jak i odległości do tych galaktyk niewidocznych innymi sposobami. Sporządzono trójwymiarową mapę i okazało się, że zarówno Wielki Pierścień jak i Gigantyczny Łuk znajdują się w tej odległości około 9,2 miliarda l.św. od nas.
Na ilustracji: Idea detekcji bardzo słabych galaktyk poprzez obserwacje absorpcji światła kwazarów w liniach widmowych jonów magnezu (Mg II).
Kwazary, które znajdują się w tle za galaktykami, emitują silne promieniowanie przenikające przez materię gazową wokół galaktyk. Część tego światła kwazarów jest pochłaniana przez materię gazową i zostawia ślady w postaci linii absorpcyjnych w widmach kwazarów. Tę informację wykorzystuje się do mapowania rozkładu materii w odległym Wszechświecie. Źródło: University of Central Lancashire
Na ilustracji: Wielki Pierścień (ang. Big Ring) o średnicy około 1,3 miliarda l.św. Gdyby był widoczny bezpośrednio, to na niebie byłby pierścieniem o średnicy około 15 tarcz Księżyca. Środek Wielkiego Pierścienia znajduje się w pobliżu zera osi poziomej (zwyczajowo oznaczanej „X”) i rozciąga się wzdłuż tej osi od -650 mln l.św. do +650 l.św. - co daje sumarycznie około 1,3 miliarda l.św.
Szare kontury reprezentują obszary, w których jest absorbowane promieniowanie jonów magnezu (Mg II). Natomiast czarne kropki reprezentują kwazary znajdujące się w tle, które są swego rodzaju „latarkami” podświetlającymi te ciemne kontury (galaktyki, gromady galaktyk). Źródło: University of Central Lancashire
Na ilustracji: Gigantyczny Łuk (ang. Giant Arc) rozciągający się aż na 3,3 miliarda l.św., który został odkryty w 2021 roku.
Szare kontury reprezentują obszary, w których jest pochłaniane promieniowanie jonów magnezu (Mg II). Natomiast niebieski kropki reprezentują kwazary znajdujące się w tle, które są swego rodzaju „latarkami” podświetlającymi te ciemne kontury (galaktyki, gromady galaktyk). Źródło: University of Central Lancashire
Zgodnie ze standardowym modelem kosmologicznym w tamtym momencie ewolucji, gdy Wszechświat był 1,8 raza mniejszy, te niejednorodne struktury nie powinny być większe niż 1,2 miliarda l.św. Zarówno ten Łuk jak i Pierścień mają większe rozmiary – co nie wydaje się być przypadkowe, ponieważ z analizy statystycznej wynika, że odkrycie Wielkiego Pierścienia jest na poziomie ufności 5,2 sigma. Ta wartość przekracza „złoty próg” wynoszący 5-sigma, co jest uznawane przez naukowców za potwierdzenie odkrycia.
Jednym z możliwych wyjaśnień tych gigantycznych niejednorodności we Wszechświecie mogą być barionowe oscylacje akustyczne BAO (skrót z j.ang. Baryonic Acoustic Oscillation). W najwcześniejszych chwilach po Wielkim Wybuchu te akustyczne fale gęstości BAO formowane przez oddziaływania grawitacyjne mogłyby utworzyć wielkoskalowe „bąble” materii.
BAO jest dozwolone w ramach standardowego modelu kosmologicznego, ale ten mechanizm ma tendencję do tworzenia struktur trójwymiarowych o symetrii sferycznej – podczas gdy Wielki Pierścień jest niejednorodnością dwuwymiarową.
Konieczne jest więc inne uzasadnienie istnienia wielkoskalowych kosmicznych niejednorodności Wielkiego Pierścienia i Gigantycznego Łuku!
Alexia Lopez podczas prezentacji w dn. 10 stycznia 2024 roku na zjeździe Amerykańskiego Astronomicznego Stowarzyszenia w Nowym Orleanie nawiązała do dwóch alternatywnych wyjaśnień tych niejednorodności:
(1)
Mogą być dowodem na istnienie strun kosmicznych, czyli jednowymiarowych solitonów topologicznych zaproponowanych w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku w ramach teorii strun. Teoretycznie kosmiczne struny mogły by powstać we wczesnym Wszechświecie i pozostawić swoje ślady w postaci struktur takich jak Wielki Pierścień lub Gigantyczny Łuk.
(2)
Można wyjaśnić za pomocą zaproponowanego przez Rogera Penrose modelu konforemnej kosmologii cyklicznej CCC (skrót z j.ang. Conformal Cyclic Cosmology).
W tym modelu Wszechświat przechodzi przez nie kończący się cykl Wielkich Wybuchów. W modelu CCC nie ma wymogu, aby Wszechświat ponownie kurczył się aż do Wielkiego Krachu (ang. Big Crunch), ale raczej Wszechświat rozszerza się w nieskończoność i cała materia rozpada się - do momentu aż matematycznie różnica pomiędzy pustą przestrzenią w rozszerzającym się Wszechświecie i osobliwością Wielkiego Wybuchu staje się po prostu kwestią skali. Skala jest nieistotna, gdy już nie ma materii - a więc na końcu Wszechświata i na jego początku. Rozszerzający się pusty Wszechświat może stać się następną osobliwością uruchamiającą kolejny cykl, który Penrose nazwał eonem.
Ważne jest, że w modelu CCC w nowym cyklu ekspansji Wszechświata mogą być widoczne ślady po poprzednim eonie, który mógłby stworzyć niejednorodne struktury takie jak Wielki Pierścień lub Gigantyczny Łuk.
Wspomniane dwie teorie są fascynujące. Jednak na razie nie istnieją alternatywne modele Wszechświata – nawet model CCC, które mogły by tak dobrze jak standardowy model kosmologiczny wyjaśnić to, co obserwujemy w naszym Wszechświecie. W standardowym modelu kosmologicznym stopniowo pojawia się coraz więcej pęknięć i luk – co może oznaczać, że pewnego dnia ten model zostanie udoskonalony lub zastąpiony nowym.
Gigantyczny Łuk razem z Wielkim Pierścienie reprezentują jedno z takich „pęknięć” - czyli miejsc, w którym nasza wiedza o Wszechświecie zawodzi przy wyjaśnianiu tego, co obserwujemy.
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
• A Big Cosmological Mystery
• Konferencja naukowa na ten temat na 243 zjeździe Amerykańskiego Astronomicznego Stowarzyszenia w Nowym Orleanie w dn. 10 stycznia 2024 roku
• Two Giant Structures Have Been Found Billions of Light-Years Away
• Discovery of a Giant Arc in distant space adds to challenges to basic assumptions about the Universe
• publikacja naukowa → A Giant Arc on the Sky
Źródło: University of Central Lancashire
Na ilustracji: Wizja artystyczna, jak Wielki Pierścień (niebieskie kropki) i Gigantyczny Łuk (czerwone kropki) mógłby wyglądać na niebie (są obserwowalne tylko pośrednio w widmach kwazarów w liniach absorpcyjnych jonów magnezu Mg II). W tle obraz nocnego nieba wygenerowany przez Stellarium. Źródło: University of Central Lancashire
