Ранняя темная энергия может разрешить две самые большие загадки космологии

Ранняя темная энергия могла спровоцировать образование многочисленных ярких галактик на очень раннем этапе развития Вселенной, как показало новое исследование. Таинственная неизвестная сила могла заставить ранние семена галактик (изображенные слева) прорасти во много больше ярких галактик (справа), чем предсказывает теория. Автор: Josh Borrow/Thesan Team

Новое исследование физиков Массачусетского технологического института предполагает, что таинственная сила, известная как ранняя темная энергия, может решить две самые большие загадки космологии и заполнить некоторые существенные пробелы в нашем понимании того, как развивалась ранняя Вселенная.

Одна из загадок, о которой идет речь, — это «напряжение Хаббла», которое относится к несоответствию в измерениях того, как быстро расширяется Вселенная. Другая загадка связана с наблюдениями многочисленных ранних, ярких галактик, которые существовали в то время, когда ранняя Вселенная должна была быть гораздо менее населенной.

Теперь команда MIT обнаружила, что обе загадки можно было бы решить, если бы в ранней Вселенной был один дополнительный, мимолетный ингредиент: ранняя темная энергия. Темная энергия — это неизвестная форма энергии, которая, как подозревают физики, движет расширением Вселенной сегодня.

Ранняя темная энергия — это похожее гипотетическое явление, которое могло появиться лишь на короткое время, повлияв на расширение Вселенной в ее первые мгновения, а затем полностью исчезнув.

Некоторые физики подозревают, что ранняя темная энергия может быть ключом к решению проблемы напряжения Хаббла, поскольку эта таинственная сила могла ускорить раннее расширение Вселенной на величину, которая позволила бы устранить несоответствие измерений.

Исследователи MIT теперь обнаружили, что ранняя темная энергия также может объяснить ошеломляющее количество ярких галактик, которые астрономы наблюдали в ранней Вселенной. В своем новом исследовании, опубликованном в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, команда смоделировала формирование галактик в первые несколько сотен миллионов лет Вселенной.

Когда они включили компонент темной энергии только в этот самый ранний отрезок времени, они обнаружили, что количество галактик, возникших из первичной среды, резко возросло, соответствуя наблюдениям астрономов.

«У вас есть эти две надвигающиеся открытые головоломки», — говорит соавтор исследования Рохан Найду, постдок в Институте астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. «Мы обнаружили, что на самом деле ранняя темная энергия — это очень элегантное и разреженное решение двух самых насущных проблем в космологии».

Соавторами исследования являются ведущий автор и постдок Кавли Сюэцзянь (Джейкоб) Шен и 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

Исходя из стандартных космологических и галактических моделей формирования, Вселенная должна была бы не торопиться, раскручивая первые галактики. Потребовались бы миллиарды лет, чтобы первичный газ слился в галактики, такие большие и яркие, как Млечный Путь.

Но в 2023 году космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) НАСА сделал поразительное наблюдение. Имея возможность заглянуть дальше во времени, чем любая обсерватория на сегодняшний день, телескоп обнаружил удивительное количество ярких галактик размером с современный Млечный Путь в течение первых 500 миллионов лет, когда Вселенная составляла всего 3% от своего нынешнего возраста.

«Яркие галактики, которые увидел JWST, были бы похожи на скопление огней вокруг больших городов, тогда как теория предсказывает что-то вроде света вокруг более сельских местностей, таких как Йеллоустонский национальный парк», — говорит Шен. «И мы не ожидаем такого скопления света так рано».

Для физиков эти наблюдения подразумевают, что либо что-то фундаментально неправильно в физике, лежащей в основе моделей, либо в ранней Вселенной отсутствует какой-то ингредиент, который ученые не учли. Команда MIT исследовала возможность последнего, а также то, может ли отсутствующий ингредиент быть ранней темной энергией.

Физики предположили, что ранняя темная энергия — это своего рода антигравитационная сила, которая включается только в очень ранние времена. Эта сила будет противодействовать внутреннему притяжению гравитации и ускорит раннее расширение Вселенной таким образом, что это устранит несоответствие в измерениях. Поэтому ранняя темная энергия считается наиболее вероятным решением проблемы напряженности Хаббла.

Скелет галактики

Команда MIT исследовала, может ли ранняя темная энергия также быть ключом к объяснению неожиданной популяции крупных, ярких галактик, обнаруженных JWST. В своем новом исследовании физики рассмотрели, как ранняя темная энергия могла повлиять на раннюю структуру Вселенной, которая дала начало первым галактикам. Они сосредоточились на формировании гало темной материи — областей пространства, где гравитация сильнее, и где материя начинает накапливаться.

«Мы считаем, что гало темной материи — это невидимый скелет Вселенной», — объясняет Шен. «Сначала формируются структуры темной материи, а затем внутри этих структур формируются галактики. Поэтому мы ожидаем, что количество ярких галактик должно быть пропорционально количеству больших гало темной материи».

Группа разработала эмпирическую структуру раннего формирования галактик, которая предсказывает количество, светимость и размер галактик, которые должны были сформироваться в ранней Вселенной, учитывая некоторые показатели «космологических параметров». Космологические параметры — это основные ингредиенты или математические термины, которые описывают эволюцию Вселенной.

Физики определили, что существует по крайней мере шесть основных космологических параметров, одним из которых является постоянная Хаббла — термин, описывающий скорость расширения Вселенной. Другие параметры описывают флуктуации плотности в первичном бульоне сразу после Большого взрыва, из которых в конечном итоге образуются гало 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 она может повлиять на баланс других космологических параметров таким образом, что это может привести к увеличению числа ярких галактик, появляющихся в ранние времена.

Чтобы проверить свою теорию, они включили модель ранней темной энергии (ту самую, которая, как оказалось, разрешает напряженность Хаббла) в эмпирическую структуру формирования галактик, чтобы увидеть, как развиваются самые ранние структуры темной материи и приводят к появлению первых галактик.

«Мы показываем, что скелетная структура ранней Вселенной изменяется тонким образом, где амплитуда флуктуаций увеличивается, и вы получаете более крупные гало и более яркие галактики, которые находятся на своих местах в более ранние времена, больше, чем в наших более простых моделях», — говорит Найду. «Это означает, что в ранней Вселенной все было более обильным и более сгруппированным».

«Априори я бы не ожидал, что обилие ранних ярких галактик JWST будет как-то связано с ранней темной энергией, но их наблюдение, что EDE смещает космологические параметры в направлении, которое увеличивает обилие ранних галактик, интересно», — говорит Марк Камионковски, профессор теоретической физики в Университете Джонса Хопкинса, который не принимал участия в исследовании.

«Я думаю, что необходимо провести больше работы, чтобы установить связь между ранними галактиками и EDE, но независимо от того, как все обернется, это разумная и, надеюсь, в конечном итоге плодотворная попытка».

«Мы продемонстрировали потенциал ранней темной энергии как единого решения двух основных проблем, с которыми сталкивается космология. Это может быть доказательством ее существования, если результаты наблюдений JWST будут еще больше консолидированы», — заключает Фогельсбергер.

«В будущем мы сможем включить это в масштабное космологическое моделирование, чтобы увидеть, какие подробные прогнозы мы получим».

Больше информации: Xuejian Shen et al, Early Galaxies and Early Dark Energy: A Unified Solution to the Hubble Tension and Puzzles of Massive Bright Galaxies revealed by JWST, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae1932. academic.oup.com/mnras/article/533/4/3923/7750120

Источник: Massachusetts Institute of Technology