W ciągu pierwszych miliardów lat istnienia Wszechświata ta krótko działająca i tajemnicza siła mogła wytworzyć więcej jasnych galaktyk niż przewiduje teoria.
Nowe badania przeprowadzone przez fizyków z Massachusetts Institute of Technology (MIT) sugerują, że tajemnicza siła znana jako wczesna ciemna energia może rozwiązać dwie zagadki w kosmologii i wypełnić niektóre z poważnych luk w naszym zrozumieniu tego, jak ewoluował wczesny Wszechświat.
Jedną z zagadek jest napięcie Hubble’a, które odnosi się do rozbieżności w pomiarach szybkości rozszerzania się Wszechświata. Druga dotyczy obserwacji wielu wczesnych, jasnych galaktyk, które istniały, gdy wczesny Wszechświat powinien być znacznie mniej „zaludniony”.
Zespół z MIT odkrył, że na oba pytania dałoby się odpowiedzieć, 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, ale hipotetyczne zjawisko, które mogło pojawić się tylko na chwilę, wpływając na ekspansję Wszechświata w pierwszych chwilach jego istnienia, zanim całkowicie zniknęło. Niektórzy fizycy podejrzewali, że wczesna ciemna energia może być kluczem do rozwiązania problemu napięcia Hubble’a, ponieważ taka tajemnicza siła mogłaby przyspieszyć wczesną ekspansję Wszechświata o wartość, która rozwiązałaby problem niezgodności pomiarów.
Naukowcy z MIT odkryli, że wczesna ciemna energia może również wyjaśniać zaskakującą liczbę jasnych galaktyk, które astronomowie zaobserwowali we wczesnym Wszechświecie. W artykule opublikowanym 13 września 2024 roku w „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” opisali model formowania się galaktyk w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat istnienia Wszechświata. Gdy uwzględnili składnik ciemnej energii tylko w tym najwcześniejszym wycinku czasu, odkryli, że liczba galaktyk, które powstały w pierwotnym środowisku, wzrosła, aby dopasować się do obserwacji astronomów.
Mamy do czynienia z dwiema zagadkami – powiedział współautor badania Rohan Naidu, doktorant w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli na MIT. Odkryliśmy, że w rzeczywistości wczesna ciemna energia jest bardzo eleganckim i rzadkim rozwiązaniem dwóch najbardziej palących problemów kosmologii.
Światła wielkiego miasta
Jeśli opieramy się na standardowych modelach kosmologicznych i modelach formowania galaktyk, to pierwsze galaktyki nie powinny powstawać szybko. Pierwotny gaz potrzebowałby miliardów lat, aby połączyć się w galaktyki tak duże i jasne, jak Droga Mleczna.
Jednak w 2023 roku dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba (JWST) dokonano zaskakującej obserwacji. Dzięki możliwości spojrzenia dalej w przeszłość niż jakiekolwiek dotychczasowe obserwatorium badacze odkryli zaskakującą liczbę jasnych galaktyk tak dużych, jak współczesna Droga Mleczna, ale w ciągu pierwszych 500 milionów lat, kiedy Wszechświat miał zaledwie 3% swojego obecnego wieku.
Jasne galaktyki zaobserwowane przez JWST przypominały skupiska świateł dużych miast, podczas gdy teoria przewiduje coś w rodzaju światła wokół bardziej wiejskich obszarów, takich jak Park Narodowy Yellowstone – powiedział Xuejian (Jacob) Shen. Nie spodziewamy się takiego skupiska światła na tak wczesnym etapie.
Dla fizyków obserwacje te sugerują, że albo coś jest zasadniczo nie tak z fizyką leżącą u podstaw modeli, albo brakuje ważnego składnika we wczesnym Wszechświecie, którego naukowcy nie uwzględnili. Zespół MIT zbadał tę drugą możliwość – i czy brakującym składnikiem może być wczesna ciemna energia. Fizycy zaproponowali, że wczesna ciemna energia jest rodzajem siły grawitacyjnej, obecnej tylko w bardzo wczesnych okresach. Siła ta miałaby przeciwdziałać przyciąganiu grawitacyjnemu i przyspieszać wczesną ekspansję Wszechświata w sposób, który rozwiązałby rozbieżność w pomiarach. Wczesna ciemna energia jest zatem uważana za najbardziej prawdopodobne rozwiązanie problemu napięcia Hubble’a.
Szkielet galaktyki
Zespół MIT zbadał, czy wczesna ciemna energia może być również kluczem do wyjaśnienia nieoczekiwanej liczebności dużych, jasnych galaktyk wykrytych przez JWST. Fizycy zastanawiali się, w jaki sposób wczesna ciemna energia może wpływać na wczesną strukturę Wszechświata, która dała początek pierwszym galaktykom. Skupili się na formowaniu się halo ciemnej materii – obszarów przestrzeni, w których grawitacja jest silniejsza i gdzie zaczyna gromadzić się materia.
Uważamy, że halo ciemnej materii są niewidzialnym szkieletem Wszechświata – wyjaśnił Shen. Najpierw tworzą się struktury ciemnej materii, a następnie w ich obrębie powstają galaktyki. Spodziewamy się więc, że liczba galaktyk powinna być proporcjonalna do liczby dużych halo ciemnej materii.
Zespół opracował empiryczne ramy dla wczesnego formowania się galaktyk, przewidujące liczbę, jasność i rozmiar galaktyk, które powinny powstać we wczesnym Wszechświecie, biorąc pod uwagę pewne miary „parametrów kosmologicznych”. Parametry kosmologiczne są podstawowymi składnikami lub terminami matematycznymi, które opisują ewolucję Wszechświata.
Fizycy ustalili, że istnieje co najmniej sześć głównych parametrów kosmologicznych, z których jednym jest stała Hubble’a, opisująca tempo ekspansji Wszechświata. Inne parametry określają fluktuacje gęstości w pierwotnej zupie, bezpośrednio po Wielkim Wybuchu, z której ostatecznie tworzą się halo ciemnej materii.
Zespół MIT doszedł do wniosku, że jeżeli wczesna ciemna energia wpływa na tempo wczesnej ekspansji Wszechświata w sposób, który rozwiązuje napięcie Hubble’a, to może oddziaływać także na równowagę innych parametrów kosmologicznych w sposób, który może zwiększyć liczbę jasnych galaktyk pojawiających się we wczesnym okresie. Aby przetestować swoją teorię, włączyli model wczesnej ciemnej energii (ten sam, który rozwiązuje napięcie Hubble’a) do empirycznych ram formowania się galaktyk, aby zobaczyć, jak najwcześniejsze struktury ciemnej materii ewoluują i dają początek pierwszym galaktykom.
Pokazujemy, że szkieletowa struktura wczesnego Wszechświata została zmieniona w subtelny sposób, w którym amplituda fluktuacji wzrasta, i uzyskujemy większe halo i jaśniejsze galaktyki we wczesnym Wszechświecie – powiedział Naidu. Oznacza to, że we wczesnym Wszechświecie wszystko było bardziej obfite i bardziej skupione.
A priori nie spodziewałbym się, że obfitość wczesnych jasnych galaktyk zaobserwowanych za pomocą JWST ma cokolwiek wspólnego z wczesną ciemną energią, ale koncepcja, że wczesna ciemna energia przesuwa parametry kosmologiczne w kierunku, który zwiększa obfitość wczesnych galaktyk, jest interesująca – powiedział Marc Kamionkowski, profesor fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa w Baltimore, który nie był zaangażowany w badania. Myślę, że trzeba będzie wykonać więcej pracy, aby ustalić związek między wczesnym galaktykami a wczesną ciemną energią, ale niezależnie od tego, jak się sprawy potoczą, jest to ważna rzecz do sprawdzenia.
Zademonstrowaliśmy potencjał wczesnej ciemnej energii jako ujednoliconego rozwiązania dwóch głównych problemów kosmologii. Może to być dowód na jej istnienie, jeżeli wyniki obserwacji JWST zostaną jeszcze bardziej skonsolidowane – podsumował Mark Vogelsberger, profesor fizyki z MIT. W przyszłości możemy włączyć to do dużych symulacji kosmologicznych, aby zobaczyć, jak szczegółowe prognozy otrzymamy.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Study: Early dark energy could resolve cosmology’s two biggest puzzles
- Early galaxies and early dark energy: a unified solution to the hubble tension and puzzles of massive bright galaxies revealed by JWST
Źródło: MIT
Na ilustracji: Wczesna ciemna energia mogła wywołać powstanie wielu jasnych galaktyk, bardzo wcześnie we Wszechświecie. Tajemnicza, nieznana siła mogła spowodować, że wczesne nasiona galaktyk (przedstawione po lewej) wykiełkowały w znacznie większej liczbie jasnych galaktyk (po prawej), niż przewiduje teoria. Źródło: Josh Borrow/Thesan Team
