|
Темная энергия может разрешить загадки космологии
|
|
|
|
Новое исследование физиков Массачусетского технологического института предполагает, что таинственная сила, известная как ранняя темная энергия, может решить две самые большие загадки в космологии и заполнить некоторые серьезные пробелы в нашем понимании того, как развивалась ранняя Вселенная.
|
|
|
|
Одной из загадок, о которой идет речь, является "напряженность Хаббла", которая связана с несоответствием в измерениях скорости расширения Вселенной. Другая проблема связана с наблюдениями за многочисленными ранними яркими галактиками, существовавшими в то время, когда ранняя Вселенная должна была быть гораздо менее населенной.
|
|
|
|
Теперь команда Массачусетского технологического института обнаружила, что обе загадки можно было бы разрешить, если бы у ранней Вселенной был один дополнительный, мимолетный компонент: ранняя темная энергия. Темная энергия - это неизвестная форма энергии, которая, как подозревают физики, является движущей силой расширения Вселенной сегодня.
|
|
|
|
Ранняя темная энергия - это аналогичное гипотетическое явление, которое, возможно, проявлялось лишь на короткое время, влияя на расширение Вселенной в первые моменты ее существования, прежде чем полностью исчезнуть.
|
|
|
|
Некоторые физики подозревали, что ранняя темная энергия может быть ключом к разгадке теории Хаббла, поскольку таинственная сила могла ускорить раннее расширение Вселенной на величину, которая позволила бы устранить несоответствие измерений.
|
|
|
Исследователи Массачусетского технологического института теперь обнаружили, что ранняя темная энергия может также объяснить поразительное количество ярких галактик, которые астрономы наблюдали в ранней Вселенной. В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Monthly Notices Королевского астрономического общества, команда ученых смоделировала формирование галактик в первые несколько сотен миллионов лет существования Вселенной.
|
|
|
|
Когда они включили компонент темной энергии только в тот самый ранний промежуток времени, они обнаружили, что количество галактик, возникших из изначальной среды, увеличилось в соответствии с наблюдениями астрономов.
|
|
|
|
"Перед вами две нерешенные загадки", - говорит соавтор исследования Рохан Найду, постдок Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. "Мы обнаружили, что на самом деле ранняя темная энергия является очень элегантным и редким решением двух самых насущных проблем в космологии".
|
|
|
|
Соавторами исследования являются ведущий автор и постдок Кавли Сюэцзянь (Джейкоб) Шен, профессор физики Массачусетского технологического института Марк Фогельсбергер, а также Майкл Бойлан-Колчин из Техасского университета в Остине и Сандро Такчелла из Кембриджского университета.
|
|
Огни большого города
|
|
|
|
Согласно стандартным космологическим моделям и моделям формирования галактик, Вселенной потребовалось бы время для формирования первых галактик. Чтобы первичный газ сформировался в галактики, такие же большие и яркие, как Млечный Путь, потребовались бы миллиарды лет.
|
|
|
|
Но в 2023 году космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба (JWST) сделал поразительное наблюдение. Обладая способностью заглядывать в прошлое дальше, чем любая обсерватория на сегодняшний день, телескоп обнаружил удивительное количество ярких галактик размером с современный Млечный Путь в течение первых 500 миллионов лет, когда возраст Вселенной составлял всего 3% от ее нынешнего.
|
|
|
|
"Яркие галактики, которые наблюдал JWST, были бы похожи на скопление огней вокруг больших городов, в то время как теория предсказывает что-то похожее на свет в сельской местности, например, в Йеллоустонском национальном парке", - говорит Шен. "И мы не ожидаем такого скопления света так рано".
|
|
|
|
Для физиков эти наблюдения означают, что либо в физике, лежащей в основе моделей, есть что-то фундаментально неправильное, либо в ранней Вселенной отсутствует какой-то компонент, который ученые не учли. Команда Массачусетского технологического института исследовала возможность последнего и то, может ли отсутствующим компонентом быть ранняя темная энергия.
|
|
|
|
Физики предположили, что ранняя темная энергия - это своего рода антигравитационная сила, которая включается только в очень ранние периоды времени. Эта сила могла бы противодействовать притяжению вовнутрь и ускорить раннее расширение Вселенной таким образом, чтобы устранить несоответствие в измерениях. Таким образом, ранняя темная энергия считается наиболее вероятным объяснением напряженности Хаббла.
|
|
Скелет галактики
|
|
|
|
Команда Массачусетского технологического института исследовала, может ли ранняя темная энергия также быть ключом к объяснению неожиданного количества крупных ярких галактик, обнаруженных JWST. В своем новом исследовании физики рассмотрели, как ранняя темная энергия могла повлиять на раннюю структуру Вселенной, которая привела к появлению первых галактик. Они сосредоточились на формировании ореолов темной материи — областей пространства, где гравитация оказывается сильнее и где материя начинает накапливаться.
|
|
|
|
"Мы считаем, что гало из темной материи - это невидимый каркас Вселенной", - объясняет Шен. "Сначала формируются структуры из темной материи, а затем внутри этих структур формируются галактики. Таким образом, мы ожидаем, что количество ярких галактик должно быть пропорционально количеству больших гало из темной материи".
|
|
|
|
Команда разработала эмпирическую основу для раннего формирования галактик, которая предсказывает количество, светимость и размер галактик, которые должны были образоваться в ранней Вселенной, с учетом некоторых "космологических параметров". Космологические параметры - это основные составляющие, или математические термины, которые описывают эволюцию Вселенной.
|
|
|
|
Физики определили, что существует по меньшей мере шесть основных космологических параметров, одним из которых является постоянная Хаббла — термин, описывающий скорость расширения Вселенной. Другие параметры описывают колебания плотности в первичном бульоне сразу после Большого взрыва, из которого в конечном итоге образуются ореолы темной материи.
|
|
|
|
Команда Массачусетского технологического института пришла к выводу, что если ранняя темная энергия влияет на скорость раннего расширения Вселенной таким образом, что устраняет напряженность Хаббла, то это может повлиять на баланс других космологических параметров, что может привести к увеличению числа ярких галактик, которые появляются на ранней стадии.
|
|
|
|
Чтобы проверить свою теорию, они включили модель ранней темной энергии (ту самую, которая, как оказалось, разрешила проблему Хаббла) в эмпирическую схему формирования галактик, чтобы увидеть, как эволюционируют самые ранние структуры темной материи и дают начало первым галактикам.
|
|
|
|
"Мы показываем, что скелетная структура ранней Вселенной слегка изменяется, когда амплитуда колебаний увеличивается, и вы получаете более крупные ореолы и более яркие галактики, которые существовали в более ранние времена, в большей степени, чем в наших более простых моделях", - говорит Найду. "Это означает, что в ранней Вселенной все было более многочисленным и сгруппированным".
|
|
|
|
"Априори я бы не ожидал, что обилие ранних ярких галактик JWST как-то связано с ранней темной энергией, но их наблюдение о том, что EDE подталкивает космологические параметры в направлении, повышающем обилие ранних галактик, интересно", - говорит Марк Камионковски, профессор теоретической физики в Университете Джона Хопкинса Университет, который не принимал участия в исследовании.
|
|
|
|
"Я думаю, что потребуется проделать больше работы, чтобы установить связь между ранними галактиками и EDE, но независимо от того, как все обернется, это разумная и, надеюсь, в конечном счете плодотворная попытка".
|
|
|
|
"Мы продемонстрировали потенциал ранней темной энергии как единого решения двух основных проблем, с которыми сталкивается космология. Это может стать доказательством ее существования, если результаты наблюдений JWST будут еще более обобщены", - заключает Фогельсбергер.
|
|
|
|
"В будущем мы сможем включить это в масштабное космологическое моделирование, чтобы увидеть, какие подробные прогнозы мы получим".
|
|
|
|
Источник
|
