Космологические данные свидетельствуют о том, что Вселенная стала «более запутанной и сложной»

Автор: Unsplash/CC0 Public Domain

На протяжении всей космической истории мощные силы действовали на материю, преобразуя вселенную во все более сложную сеть структур. Теперь новое исследование под руководством Джошуа Кима и Мэтью Мадхавачерила из Пенсильванского университета и их коллег из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли предполагает, что наша вселенная стала «более беспорядочной и сложной» за те примерно 13,8 миллиарда лет, что она существует, или, скорее, распределение материи за эти годы стало менее «комковатым», чем следовало бы ожидать.

«В нашей работе мы провели перекрестную корреляцию двух типов наборов данных из дополнительных, но очень разных исследований», — говорит Мадхавачерил, — «и мы обнаружили, что по большей части история формирования структур удивительно согласуется с предсказаниями гравитации Эйнштейна. Мы увидели намек на небольшое расхождение в количестве ожидаемой комковатости в недавние эпохи, около четырех миллиардов лет назад, что может быть интересно изучить».

Данные, опубликованные в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics и на сервере препринтов arXiv, взяты из окончательного выпуска данных (DR6) космологического телескопа Атакама (ACT) и первого года работы спектроскопического инструмента темной энергии (DESI).

По словам Мадхавачерила, объединение этих данных позволило команде наложить слои космического времени таким образом, что это напоминает наложение прозрачных пленок древних космических фотографий на современные, что дает многомерную перспективу космоса.

«ACT, охватывающий примерно 23% неба, рисует картину зарождения Вселенной с помощью далекого, слабого света, который путешествовал со времен Большого взрыва», — говорит первый автор статьи Джошуа Ким, аспирант группы Мадхавачерил.

«Формально этот свет называется космическим микроволновым фоном (CMB), но иногда мы просто называем его детской фотографией Вселенной, потому что это моментальный снимок того времени, когда ей было около 380 000 лет».

Ким объясняет, что путь этого древнего света на протяжении эволюционного времени или по мере старения Вселенной не был прямым. Гравитационные силы от больших, плотных, тяжелых структур, таких как скопления галактик в космосе, деформировали реликтовое излучение, подобно тому, как искажается изображение, проходящее через очки.

Этот «эффект гравитационного линзирования», впервые предсказанный Эйнштейном более 100 лет назад, позволяет космологам делать выводы о таких свойствах Вселенной, как распределение материи и ее возраст.

С другой стороны, данные DESI предоставляют более поздние записи космоса. DESI, базирующийся в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне и управляемый Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли, составляет карту трехмерной структуры Вселенной, изучая распределение миллионов галактик, в частности, светящихся красных галактик (LRG). Эти галактики выступают в качестве космических ориентиров, позволяя ученым отслеживать, как материя распространялась на протяжении миллиардов лет.

«LRG от DESI — это как более поздняя картина Вселенной, показывающая нам, как галактики распределены на разных расстояниях», — говорит Ким, сравнивая данные с фотографией Вселенной в школьном ежегоднике. «Это мощный способ увидеть, как структуры эволюционировали от карты CMB до того, где галактики находятся сегодня».

Объединив карты линзирования из данных РКФ ACT с LRG DESI, команда создала беспрецедентное совпадение между древней и недавней космической историей, что позволило им напрямую сравнивать измерения ранней и поздней Вселенной.

«Этот процесс похож на космическую компьютерную томографию, — говорит Мадхавачерил, — где мы можем просматривать различные срезы космической истории и отслеживать, как материя скапливалась в разные эпохи. Это дает нам возможность напрямую увидеть, как гравитационное влияние материи менялось на протяжении миллиардов лет».

При этом они заметили небольшое несоответствие: комковатость или колебания плотности, ожидаемые в более поздние эпохи, не совсем соответствовали прогнозам.

Ким говорит, что сигма 8 (σ ₈), метрика, которая измеряет амплитуду колебаний плотности материи, является ключевым фактором, а более низкие значения σ ₈ указывают на меньшую агрегацию, чем ожидалось, что может означать, что космические структуры не эволюционировали в соответствии с предсказаниями моделей ранней Вселенной, и предполагать, что структурный рост Вселенной мог замедлиться способами, которые современные модели не в полной мере объясняют.

Он поясняет, что это небольшое несоответствие ожиданиям «недостаточно сильно, чтобы окончательно предложить новую физику — все еще возможно, что это отклонение является чисто случайным».

Если отклонение действительно не случайно, то некая неучтенная физика может играть роль, контролируя то, как структуры формируются и развиваются в течение космического времени. Одна из гипотез заключается в том, что темная энергия — таинственная сила, которая, как считается, управляет ускоряющимся расширением Вселенной — может влиять на формирование космических структур больше, чем считалось ранее.

В дальнейшем команда будет работать с более мощными телескопами, такими как будущая обсерватория Саймонса, которая позволит уточнить эти измерения с большей точностью, что позволит получить более четкое представление о космических структурах.

Больше информации: Joshua Kim et al, The Atacama Cosmology Telescope DR6 and DESI: structure formation over cosmic time with a measurement of the cross-correlation of CMB lensing and luminous red galaxies, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2024). DOI: 10.1088/1475-7516/2024/12/022
Noah Sailer et al, Cosmological constraints from the cross-correlation of DESI Luminous Red Galaxies with CMB lensing from Planck PR4 and ACT DR6, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2407.04607

Источник: University of Pennsylvania