Мистериозна сила, известна като ранна тъмна енергия, може да разреши два от най-големите пъзели в космологията и да запълни някои големи пропуски в нашето разбиране за това как еволюира ранната Вселена. Това сочи изследване на физици от Масачузетския технологичен институт (MIT).
Един въпросен пъзел е „напрежението на Хъбъл“, което се отнася до несъответствие в измерванията на това колко бързо се разширява Вселената. Другият включва наблюдения на множество ранни, ярки галактики, които са съществували във време, когато Ранната вселена е трябвало да бъде много по-малко населена, пише Phys.org.
Ускореното разширяване на Вселената "се забавя в последно време"
Екипът от MIT е открил, че и двата пъзела биха могли да бъдат разрешени, ако ранната Вселена има една допълнителна, мимолетна съставка: ранна тъмна енергия. Тъмната енергия е неизвестна форма на енергия, за която физиците подозират, че движи разширяването на Вселената днес.
Ранната тъмна енергия е подобен, хипотетичен феномен, който може да се е появил само за кратко, като е повлиял на разширяването на Вселената в първите ѝ моменти, преди да изчезне напълно.
Някои физици подозираха, че ранна тъмна енергия може да е ключът към разрешаването на напрежението на Хъбъл, тъй като мистериозната сила може да ускори ранното разширяване на Вселената с количество, което би разрешило несъответствието на измерванията.
Изследователите от MIT вече са открили, че ранната тъмна енергия може също да обясни объркващия брой ярки галактики, които астрономите са наблюдавали в ранната Вселена. В новото си изследване, публикувано в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, екипът моделира формирането на галактики през първите няколкостотин милиона години на Вселената.
Когато включили компонента тъмна енергия само в тази най-ранна част от времето, те открили, че броят на галактиките, възникнали от първичната среда, се увеличава, за да отговаря на наблюденията на астрономите.
Има ли тъмна материя във Вселената? Учени с изненадващ отговор
„Откриваме, че всъщност ранната тъмна енергия е много елегантно и просто решение на два от най-належащите проблеми в космологията“, казва съавторът на изследването Рохан Найду, постдокторант в Института за астрофизика и космически изследвания „Кавли“ на MIT.
Светлините на големия град
Въз основа на стандартните космологични модели и модели за образуване на галактики Вселената трябва да е отделила време да завърти първите галактики. Ще са нужни милиарди години, преди първичният газ да се обедини в галактики, големи и ярки като Млечния път.
Но през 2023 г. космическият телескоп „Джеймс Уеб“ (JWST) на НАСА направи изумително наблюдение. Със способността да надникне по-назад във времето от която и да е обсерватория досега телескопът откри изненадващ брой ярки галактики, големи колкото съвременния Млечен път, през първите 500 милиона години, когато Вселената е била само 3% от сегашната си възраст.
За физиците наблюденията предполагат, че или има нещо фундаментално погрешно във физиката, която е в основата на моделите, или е липсваща съставка в ранната Вселена, която учените не са отчели. Екипът на MIT проучил възможността за последното и дали липсващата съставка може да е ранна тъмна енергия.
Физиците предполагат, че ранната тъмна енергия е вид антигравитационна сила, която се включва само в много ранни времена. Тази сила би противодействала на привличането и би ускорила ранното разширяване на Вселената по начин, който би разрешил несъответствието в измерванията. Следователно ранната тъмна енергия се смята за най-вероятното решение на напрежението на Хъбъл.
Скелет на галактика
Екипът на MIT проучил дали ранната тъмна енергия може също да бъде ключът към обяснението на неочакваната популация от големи, ярки галактики, открити от JWST. В новото си изследване физиците разглеждат как ранната тъмна енергия може да повлияе на ранната структура на Вселената, която е дала началото на първите галактики. Изследователите се съсредоточили върху образуването на ореоли от тъмна материя – региони от пространството, където гравитацията е по-силна и където материята започва да се натрупва.
Тъмната енергия може да "комуникира" с тъмната материя чрез неизвестна сила
„Вярваме, че ореолите от тъмната материя са невидимият скелет на Вселената“, обяснява Якоб Шен от Института „Кавли“. „Първо се формират структурите на тъмната материя, а след това галактиките се формират в тези структури. Така че очакваме броят на ярките галактики да бъде пропорционален на броя на големите ореоли от тъмна материя."
Екипът разработил емпирична рамка за ранно образуване на галактики, която прогнозирал броя, осветеността и размера на галактиките, които трябва да се образуват в ранната вселена, като се имат предвид някои мерки за "космологични параметри". Космологичните параметри са основните съставки или математическите термини, които описват еволюцията на Вселената.
Физиците са установили, че има най-малко шест основни космологични параметъра, един от които е константата на Хъбъл – тя описва скоростта на разширяване на Вселената. Други параметри описват флуктуациите на плътността в първичната супа непосредствено след Големия взрив, от които в крайна сметка се образуват ореоли от тъмна материя.
Екипът на MIT разсъждава, че ако ранната тъмна енергия повлияе на скоростта на ранното разширяване на Вселената по начин, който разрешава напрежението на Хъбъл, тогава това може да повлияе на баланса на другите космологични параметри по начин, който може да увеличи броя на ярките галактики, които се появяват в ранни времена.
За да тестват теорията си, учените тествали модел на ранна тъмна енергия (същия, който разрешава напрежението на Хъбъл) в емпирична рамка за образуване на галактики, за да видят как най-ранните структури тъмната материя се развиват и дават началото на първите галактики.
„Това, което показваме, е, че скелетната структура на ранната Вселена е променена по фин начин, където амплитудата на флуктуациите се увеличава и се получават по-големи ореоли и по-ярки галактики, които са били на мястото си в по-ранни времена", казва Найду. „Това означава, че нещата са били по-изобилни и по-групирани в ранната Вселена.“
Изследване подкрепя вековна теория, която оспорва Големия взрив
„Априори не бих очаквал изобилието от ранните ярки галактики на JWST да има нещо общо с ранната тъмна енергия, но тяхното наблюдение, че ранната тъмна енергия тласка космологичните параметри в посока, която увеличава изобилието на ранните галактики, е интересно“, казва Марк Камионковски, професор по теоретична физика в университета „Джон Хопкинс“, който не е участвал в изследването.
„Мисля, че ще трябва да се направят повече изследвания, за да се установи връзка между ранните галактики и ранната тъмна енергия, но независимо от това как се развият нещата, това е добро – и надяваме се в крайна сметка плодотворно – нещо, което да се опита“, допълва Камионковски.
„Ние демонстрирахме потенциала на ранната тъмна енергия като единно решение на двата основни проблема, пред които е изправена космологията. Това може да е доказателство за нейното съществуване, ако констатациите от наблюденията на JWST бъдат допълнително консолидирани", заключава Марк Фогелсбергер, професор по физика в MIT.
„В бъдеще можем да включим това в големи космологични симулации, за да видим какви подробни прогнози получаваме.“
