Nowe badania opublikowane w periodyku „Reviews of Modern Physics” dowodzą, że Wszechświat może nie być tak symetryczny, jak sądzono. Tradycyjny model kosmologiczny zakłada, że obserwowany w dużych skalach kosmos jest jednolity i izotropowy – czyli wygląda tak samo we wszystkich kierunkach i we wszystkich miejscach – co stanowi zresztą podstawę powszechnie akceptowanego modelu Lambda-CDM. Analiza najnowszych danych sugeruje jednak, że tak zwana kosmiczna anomalia dipolowa stanowi poważne wyzwanie dla tej fundamentalnej idei.
Solidną podstawą obecnie przyjmowanych modeli kosmologicznych jest mikrofalowe promieniowanie tła (CMB), czyli pozostałość promieniowania pochodzącego jeszcze z momentu narodzin Wszechświata w Wielkim Wybuchu. CMB, stanowiące najstarsze światło obecne w kosmosie, zdaj się być zadziwiająco jednorodne – różnice pomiarów jego temperatury na niebie są rzędu jednej setnej części procenta. Ta jednorodność i symetria pozwala fizykom używać uproszczonych równań Einsteina do opisu ewolucji przestrzeń-czas. Założenie, że Wszechświat jest izotropowy i jednorodny, znane jest dziś jako metryka Friedmana-Lemaître'a-Robertsona-Walkera (FLRW).
Na tym obrazie są jednak rysy. W danych reprezentujących kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła pojawia się coś, co nazywamy dziś anizotropią dipolową – i w uproszczeniu jest to różnica temperatury mierzonej między jedną stroną nieba a przeciwną, gdzie mamy do czynienia z nadwyżką około jednej do tysiąca. Sama anizotropia CMB nie podważa jeszcze modelu Lambda-CDM, ponieważ można ją wyjaśnić ruchem Układu Słonecznego względem reszty Wszechświata. Jeśli jednak Wszechświat ma być naprawdę izotropowy, powinniśmy widzieć podobną asymetrię również w rozkładzie zawartej w nim materii, czyli na przykład w rozmieszczeniu bardzo odległych obiektów astronomicznych takich jak kwazary.
W ramach badań, których wyniki opublikowano z końcem 2025 roku, wykorzystano nowo dostępne katalogi danych, które pozwalają lepiej porównywać anizotropię CMB z rzeczywistym rozmieszczeniem materii we Wszechświecie. Wynik tego porównania okazał się zaskakujący – oprócz zgodności kierunku wektora dipolowego oba zjawiska nie mają takiej samej amplitudy, co oznacza, że asymetria materii nie zgadza się z asymetrią obecną w mikrofalowym promieniowaniu tła. W uproszczeniu: Wszechświat wygląda inaczej w jednym kierunku niż w drugim – nie tylko z powodu ruchu Słońca i Grupy Lokalnej Galaktyk, ale także w sposób, który nie pasuje do standardowego, symetrycznego obrazu współczesnej kosmologii.
Te wyniki stanowią spory problem, ponieważ, by zachować podstawowe założenia modelu Lambda-CDM, różne rodzaje obserwacji kosmologicznych powinny być ze sobą zgodne i dawać spójne wyniki. Jednym z klasycznych testów tej zgodności jest test Ellisa–Baldwina, w ramach którego fizycy porównują anizotropię promieniowania tła z rozkładem bardzo odległych źródeł kosmologicznych, czyli kwazarów, radiogalaktyk i wczesnych galaktyk. W omawianym przypadku Wszechświat najwyraźniej nie przeszedł tego testu – odmienne amplitudy sugerują, że nowe obserwacje nie wykazują pełnej zgodności z przewidywaniami modelu standardowego. Naukowcy przyznają, że rozwiązanie tej sprzeczności nie jest proste. Nie da się jej obejść poprzez modyfikację parametrów istniejącego modelu. Problem jest głębszy i może wymagać ponownego przemyślenia podstawowych założeń kosmologii, i to włącznie z jej matematycznymi podstawami.
Na horyzoncie są już tymczasem kolejne duże projekty badawcze, które dostarczą znacznie większej liczby danych obserwacyjnych niż dotychczas. To satelity naukowe Euclid i SPHEREx, a także teleskopy naziemne, w tym przede wszystkim nasze nowe wielkie okno na kosmos, czyli Obserwatorium Very Rubin, jak i interferometr radiowy SKA (ang. Square Kilometer Array). Te instrumenty obserwacyjne mogą nie tylko pomóc w rozstrzygnięciu obecnych niezgodności, ale i – być może – dać nam dane obserwacyjne, które okażą się wystarczające do zbudowania całkiem nowego modelu kosmologicznego, uwzględniającego obecnie napotykane anomalie. Naukowcy wiążą też pewne nadzieje z wykorzystaniem technik sztucznej inteligencji do analizy ogromnych zbiorów danych, choć w tym przypadku zalecana jest ostrożność.
Ostatecznie konsekwencje przyszłych badań mogą być ogromne: jeśli Wszechświat rzeczywiście nie jest izotropowy, być może dotychczasowa wizja ogromnego, gładkiego kosmosu jest uproszczeniem, a jego natura okaże się znacznie bardziej złożona, niż sądziliśmy w kończącym się dziś pierwszym ćwierćwieczu XXI wieku...
Czytaj więcej:
- Oryginalny artykuł
- Praca naukowa: Colloquium: The cosmic dipole anomaly
- Nowe dane z SPT zapowiadają przełom w pomiarach pierwszego światła Wszechświata
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Źródło: Phys.org
Na ilustracji:
„Wykrzywiony” Wszechświat (wizualizacja, OpenAI).
