Ученые обнаружили загадочное подавление роста космических структур
Фрагмент трехмерной карты, созданной BOSS. Изображение предоставлено Джереми Тинкером и коллаборацией SDSS-III. Автор: Джереми Тинкер и коллаборация SDSS-III.
Набор данных (data set или dataset) — коллекция данных. В случае с табличными данными, набор данных соответствует одной или нескольким таблицам баз данных, где каждый столбец таблицы соответствует отдельной переменной, и каждая строка соответствует записи в наборе данных. Наборы данных хранят значения для каждой переменной, например, высота и вес объекта для каждого члена набора данных. Наборы данных могут также состоять из коллекции документов или файлов. Википедия
Модель ΛCDM - это стандартная космологическая модель, описывающая эволюцию, расширение и структуру Вселенной. Она охватывает холодную темную материю (CDM), обычную материю и излучение, а также космологическую постоянную (Λ), которая отвечает за темную энергию.
Эта модель успешно объяснила несколько космологических наблюдений, включая крупномасштабную структуру Вселенной, ускоряющееся расширение Вселенной и фоновое космическое микроволновое излучение (CMB), которое является остаточным явлением Большого взрыва.
Тёмная эне́ргия (англ. dark energy) в космологии — гипотетический вид энергии, введённый в математическую модель Вселенной для объяснения наблюдаемого её расширения с ускорением.
Существует три варианта объяснения сущности тёмной энергии:
тёмная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума);
тёмная энергия есть некая квинтэссенция — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.
тёмная энергия есть модифицированная гравитация на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной.По состоянию на 2020 год надёжные наблюдательные данные, такие как измерения реликтового излучения, подтверждают существование тёмной энергии, Модель Лямбда-CDM принимается в космологии как стандартная. Википедия
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества затрудняет и, возможно, даже делает невозможным её прямое наблюдение.
Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Выяснение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик. Википедия
Исследовательская группа стремилась проанализировать, могут ли эти аномалии быть связаны между собой и указывать на конкретную новую физическую модель.
В состав команды входили доктор Ши-Фан Чен из Института перспективных исследований, Нью-Джерси; профессор Дж. Михаил Иванов из Массачусетского технологического института; доктор Оливер Филкокс из Колумбийского университета; и Лукас Венцл, аспирант Корнеллского университета.
Говоря о мотивации, стоящей за их работой, доктор Чен сказал: "Возможность предсказать что-либо о Вселенной - это круто, но что особенно приятно, так это то, что у нас есть множество различных наблюдаемых объектов из множества исследований, измерения которых мы можем моделировать, используя одну последовательную эффективную теорию".
Соединяя космические точки
Как уже упоминалось, модель ΛCDM не учитывает некоторые явления, основанные на недавних наблюдениях.
К ним относятся расхождения между прямыми и косвенными измерениями скорости расширения Вселенной (коэффициент Хаббла), расхождения между прямыми и косвенными измерениями кластеризации материи, т.е. роста структуры (коэффициент σ8), и недавние данные DESI, предполагающие возможные доказательства существования динамической темной энергии.
Подход исследовательской группы является новым, поскольку они хотят выяснить, может ли одна и та же физика, лежащая в основе этих аномалий, объяснить их. Чтобы проверить гипотезу, исследователи объединили измерения из нескольких источников, чтобы создать всеобъемлющий набор данных.
Это включало набор данных BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) DR12 с северными и южными галактическими шапками, выборки LOWZ (галактики с низким красным смещением) и CMASS (галактики с высокой массой), охватывающие различные диапазоны красного смещения, и взаимную корреляцию с картами гравитационного линзирования Планка CMB.
Эти данные были проанализированы в двух условиях: в рамках стандартной модели ΛCDM и в рамках динамической модели темной энергии, чтобы проверить выводы DESI.
Доктор Филкокс объяснил, как им удалось сохранить высокую точность отобранных данных. "Мы действительно пытались подобрать согласованные определения для образцов galaxy, отбрасывая части имеющихся данных со случайными ошибками в критериях отбора, в ущерб нашим статистическим ограничениям, даже если в предыдущих анализах использовались эти данные".
"Кроме того, в рамках предыдущих работ мы провели множество тестов на перекрестные корреляции с помощью CMB-линзирования, чтобы убедиться в отсутствии очевидной систематики".
Вселенная растет слишком медленно?
ΛCDM-анализ выявил несколько меньшую скорость роста космических структур, чем прогнозировалось, что свидетельствует о значительном расхождении (4,5σ) с результатами Планка.
Кроме того, он подтвердил существующие значения плотности вещества, постоянной Хаббла и роста структуры.
В ходе динамического анализа темной энергии команда не обнаружила убедительных доказательств существования динамической темной энергии, что позволяет предположить, что темная энергия ведет себя как космологическая постоянная. Наблюдаемое подавление роста структуры аналогично тем, которые были предсказаны с помощью ΛCDM-анализа.
Наконец, значение постоянной Хаббла согласуется с данными Планка, но расходится с прямыми локальными измерениями.
Профессор Иванов пояснил: "Мы обнаружили, что формирование структур в поздней Вселенной, где влияние темной энергии наиболее выражено, по крайней мере, по данным исследования галактик BOSS, кажется существенно подавленным по сравнению с ожиданиями от ранней Вселенной и реликтового излучения".
"Это верно, даже если мы допускаем, что история расширения отличается от стандартной космологической постоянной формы темной энергии".
Новая физика или ошибки в данных
По словам команды, вероятность того, что подавленный рост структуры является случайным, составляет 1 к 300 000, что убедительно свидетельствует о том, что происходит нечто необъяснимое в виде неизвестной систематики в данных или новой физики.
Полученные данные также являются самым убедительным на сегодняшний день доказательством существования напряженности σ8 и показывают, что динамическая темная энергия не может ее устранить.
Венцл объяснил: "В дополнение к упомянутым новым методам наблюдений и систематическим тестам, если этот сигнал сохранится, будет интересно посмотреть, какие новые физические методы могут помочь разрешить проблему реликтового излучения".
"Например, было бы очень здорово, если бы нестандартные кандидаты в темную материю, такие как аксионическая темная материя или темная материя, которая каким-то образом взаимодействует сама с собой или с барионами, что могло бы изменить формирование структуры, могли объяснить этот сигнал".
Результаты исследования бросают вызов нашему пониманию формирования космических структур и, что более важно, одной из самых фундаментальных моделей в космологии.
Данные предстоящих исследований галактик внесут ясность в эти расхождения, и если нам понадобится фундаментальное изменение в нашем понимании крупномасштабных структур во Вселенной.
Дополнительная информация: Ши-Фан Чен и др., Подавление без размораживания: сдерживание формирования структуры и темной энергии при кластеризации галактик, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.231001. В arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.13388
0 комментариев