Из всех загадок, с которыми сегодня сталкиваются астрономы и космологи, «напряжение Хаббла» остается неизменным! Этот термин относится к очевидной несогласованности расширения Вселенной (также известной как постоянная Хаббла), когда местные измерения сравниваются с измерениями космического микроволнового фона (CMB). Астрономы надеялись, что наблюдения самых ранних галактик во Вселенной с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) помогут решить эту загадку. К сожалению, Уэбб подтвердил, что предыдущие измерения были верными, поэтому «напряжение» сохраняется.
С тех пор, как JWST провел свои наблюдения, многие ученые предположили, что существование ранней темной энергии (EDE) может объяснить Хаббловское напряжение. В недавнем исследовании, поддержанном НАСА и Национальным научным фондом (NSF), исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) предположили, что EDE может решить две космологические загадки. Помимо Хаббловского напряжения, это могло бы объяснить, почему Уэбб наблюдал столько же галактик, сколько и во времена ранней Вселенной. Согласно современным космологическим моделям, Вселенная в то время должна была быть гораздо менее населенной.
Исследование возглавили Сюэцзянь Шен и его коллеги из факультета физики и Института астрофизики и космических исследований Кавли (MTK) Массачусетского технологического института. К ним присоединились исследователи из Института искусственного интеллекта и фундаментальных взаимодействий NSF AI (IAFI) при Массачусетском технологическом институте, Техасского университета в Остине, а также Института космологии Кавли (KICC) и лаборатории Кавендиша в Кембриджском университете. Статья с подробным описанием их выводов была недавно опубликована в журнале Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества.
Напомним, что темная энергия — это теоретическая форма энергии, которая, как полагают, сегодня является движущей силой расширения Вселенной. Теория впервые появилась в 1990-х годах для объяснения наблюдений почтенного Космический телескоп Хабблкоторое показало, что космическое расширение со временем ускоряется. EDE похожа, но считается, что она ненадолго появилась вскоре после Большого взрыва и исчезла после того, как оказала влияние на расширение ранней Вселенной. Как и Темная энергия, эта сила противодействовала бы гравитационному притяжению ранних галактик и временно ускорила бы расширение Вселенной.
Существование этой энергии также могло бы объяснить, почему измерения постоянной Хаббла не согласуются друг с другом. Если не считать ошибочности общей теории относительности (несмотря на то, что она неоднократно доказывалась на протяжении более столетия), EDE считается наиболее вероятным решением проблемы Хаббловского напряжения. Точно так же наблюдения Уэбба в 2023 году обнаружили удивительное количество ярких галактик всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва, которые были сопоставимы по размеру с современным Млечным Путем. Эти результаты бросают вызов традиционным моделям формирования галактик, которые предсказывают, что галактикам требуются миллиарды лет, чтобы сформироваться и вырасти.
В своем исследовании команда сосредоточилась на формировании «Ореолов темной материи», гипотетической области, которая позволяет протогалактикам накапливать газ и пыль, что приводит к образованию и росту звезд. Как сказано в недавней статье MIT News:
«Яркие галактики, которые видел JWST, были бы похожи на скопление огней вокруг больших городов, тогда как теория предсказывает нечто вроде света вокруг более сельских местностей, таких как Йеллоустонский национальный парк. И мы не ожидаем такого скопления света так рано. Мы считаем, что ореолы темной материи — это невидимый скелет Вселенной. 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».
Команда разработала эмпирическую основу раннего формирования галактик, которая включала шесть основных «космологических параметров» — основных математических терминов, описывающих эволюцию Вселенной. Сюда входит постоянная Хаббла, которая описывает космическое расширение, а параметры описывают флуктуации плотности сразу после Большого взрыва, из которого образовались ореолы темной материи. Команда предположила, что если EDE влияет на раннее космическое расширение, оно также может повлиять на другие параметры, которые могли бы объяснить появление многих крупных галактик вскоре после этого.
Чтобы проверить свою теорию, команда смоделировала формирование галактик в течение первых нескольких сотен миллионов лет существования Вселенной. Эта модель включила EDE, чтобы определить, как ранние структуры темной материи развились и дали начало первым галактикам во Вселенной. Как объяснил соавтор исследования Рохан Найду, постдок из MKI:
«У вас есть две надвигающиеся головоломки с открытым финалом. Мы обнаружили, что на самом деле ранняя темная энергия представляет собой очень элегантное и редкое решение двух наиболее насущных проблем космологии. Мы показываем, что скелетная структура ранней Вселенной меняется тонким образом: амплитуда колебаний увеличивается, и вы получаете более крупные гало и более яркие галактики, которые существовали в более ранние времена, в большей степени, чем в нашей более ванильной Вселенной. модели. Это означает, что в ранней Вселенной вещей было больше и они были более сгруппированы».
«Мы продемонстрировали потенциал ранней темной энергии как единого решения двух основных проблем, стоящих перед космологией», — добавил соавтор Марк Фогельсбергер, профессор физики Массачусетского технологического института. «Это может стать доказательством его существования, если результаты наблюдений JWST будут дополнительно консолидированы. В будущем мы сможем включить это в большие космологические симуляции, чтобы увидеть, какие подробные предсказания мы получим».
Дополнительная литература: Новости MIT, MNRAS
