Nova studija fizičara sa MIT-a predlaže da bi misteriozna sila poznata kao rana tamna energija mogla da reši dve najveće zagonetke u kosmologiji i da popuni neke velike praznine u našem razumevanju kako je rani univerzum evoluirao.
Jedna zagonetka o kojoj je reč je „Habl tenzija“, koja se odnosi na neusklađenost u merenjima brzine širenja univerzuma. Drugi uključuje posmatranja brojnih ranih, svetlih galaksija koje su postojale u vreme kada je rani univerzum trebalo da bude mnogo manje naseljen.
Sada, MIT tim je otkrio da bi se obe zagonetke mogle rešiti ako bi rani univerzum imao jedan dodatni, prolazni sastojak: ranu mračnu energiju. Tamna energija je nepoznat oblik energije za koji fizičari sumnjaju da pokreće širenje univerzuma danas.
Rana tamna energija je sličan, hipotetički fenomen koji se možda pojavio samo nakratko, utičući na širenje univerzuma u prvim trenucima pre nego što je potpuno nestao.
Neki fizičari sumnjaju da bi rana tamna energija mogla biti ključ za rešavanje Hablove napetosti, jer bi misteriozna sila mogla ubrzati rano širenje univerzuma za količinu koja bi rešila neusklađenost merenja.
Istraživači sa MIT-a su sada otkrili da rana tamna energija takođe može da objasni zbunjujući broj svetlih galaksija koje su astronomi primetili u ranom univerzumu. U svojoj novoj studiji, objavljenoj u časopisu Mesečna obaveštenja Kraljevskog astronomskog društva, tim je modelirao formiranje galaksija u prvih nekoliko stotina miliona godina univerzuma.
Kada su uključili komponentu tamne energije samo u tom najranijem delu vremena, otkrili su da je broj galaksija koje su nastale iz prvobitnog okruženja procvetao kako bi odgovarao posmatranjima astronoma.
„Imate ove dve otvorene zagonetke“, kaže koautor studije Rohan Naidu, postdoktor na Kavli institutu za astrofiziku i svemirska istraživanja MIT-a. „Smatramo da je, u stvari, rana tamna energija veoma elegantno i oskudno rešenje za dva najhitnija problema u kosmologiji.“
Koautori studije uključuju glavnog autora i postdoktora Kavlija Ksuejiana (Jacob) Shena, i profesora fizike na MIT-u Marka Vogelsbergera, zajedno sa Michaelom Boilan-Kolchinom sa Univerziteta Teksas u Ostinu i Sandro Tacchella sa Univerziteta u Kembridžu.
Zasnovano na standardnim kosmološkim modelima i modelima formiranja galaksija, svemiru je trebalo vremena da okrene prve galaksije. Bile bi potrebne milijarde godina da se prvobitni gas spoji u galaksije velike i svetle poput Mlečnog puta.
Ali 2023. godine, NASA-in svemirski teleskop Džejms Veb (JVST) napravio je zapanjujuće zapažanje. Sa sposobnošću da se zaviri dalje u prošlost od bilo koje opservatorije do sada, teleskop je otkrio iznenađujući broj sjajnih galaksija velikih kao savremeni Mlečni put u prvih 500 miliona godina, kada je univerzum bio samo 3% svoje sadašnje starosti.
„Sjajne galaksije koje je JVST video bile bi kao da vidite skup svetala oko velikih gradova, dok teorija predviđa nešto poput svetlosti oko ruralnijih okruženja poput Nacionalnog parka Jelouston“, kaže Šen. „I ne očekujemo to gomilanje svetlosti tako rano.“
Za fizičare, zapažanja impliciraju da ili postoji nešto fundamentalno pogrešno sa fizikom koja leži u osnovi modela ili nedostaje sastojak u ranom univerzumu koji naučnici nisu uzeli u obzir. Tim MIT-a istražio je mogućnost ovog drugog i da li je sastojak koji nedostaje možda rana tamna energija.
Fizičari su predložili da je rana tamna energija neka vrsta antigravitacione sile koja se uključuje samo u vrlo ranim vremenima. Ova sila bi se suprotstavila unutrašnjem privlačenju gravitacije i ubrzala rano širenje univerzuma na način koji bi rešio neusklađenost u merenjima. Rana tamna energija se stoga smatra najverovatnijim rešenjem za Hablovu napetost.
Tim MIT-a istražio je da li rana tamna energija takođe može biti ključ za objašnjenje neočekivane populacije velikih, svetlih galaksija koje je otkrio JVST. U svojoj novoj studiji, fizičari su razmatrali kako rana tamna energija može uticati na ranu strukturu univerzuma koja je dovela do prvih galaksija. Oni su se fokusirali na formiranje oreola tamne materije — oblasti u svemiru gde je gravitacija jača i gde materija počinje da se akumulira.
„Verujemo da su oreoli tamne materije nevidljivi kostur univerzuma“, objašnjava Šen. „Strukture tamne materije se prvo formiraju, a zatim se formiraju galaksije unutar ovih struktura. Dakle, očekujemo da bi broj svetlih galaksija trebao biti proporcionalan broju velikih oreola tamne materije.“
Tim je razvio empirijski okvir za formiranje ranih galaksija, koji predviđa broj, sjaj i veličinu galaksija koje bi trebalo da se formiraju u ranom univerzumu, s obzirom na neke mere „kosmoloških parametara“. Kosmološki parametri su osnovni sastojci, ili matematički termini, koji opisuju evoluciju univerzuma.
Fizičari su utvrdili da postoji najmanje šest glavnih kosmoloških parametara, od kojih je jedan Hablova konstanta – termin koji opisuje brzinu širenja univerzuma. Drugi parametri opisuju fluktuacije gustine u primordijalnoj supi, neposredno nakon Velikog praska, iz kojeg se na kraju formiraju oreoli tamne materije.
Tim MIT-a je zaključio da ako rana tamna energija utiče na ranu brzinu širenja univerzuma na način koji rešava Hablovu napetost, onda bi to moglo uticati na ravnotežu drugih kosmoloških parametara, na način koji bi mogao povećati broj svetlih galaksija koje se pojavljuju na ranim vremenima.
Da bi testirali svoju teoriju, ugradili su model rane tamne energije (isti onaj koji rešava Hablovu napetost) u empirijski okvir formiranja galaksija kako bi videli kako se najranije strukture tamne materije razvijaju i dovode do prvih galaksija.
„Ono što pokazujemo je da je skeletna struktura ranog univerzuma promenjena na suptilan način gde amplituda fluktuacija raste, a vi dobijate veće oreole i svetlije galaksije koje su na mestu u ranijim vremenima, više nego u našim više modeli vanile“, kaže Naidu. „To znači da su stvari bile u izobilju i više grupisane u ranom univerzumu.“
„A priori, ne bih očekivao da će obilje ranih svetlih galaksija JVST-a imati ikakve veze sa ranom tamnom energijom, ali njihovo zapažanje da EDE gura kosmološke parametre u pravcu koji povećava obilje ranih galaksija je zanimljivo“, kaže Mark Kamionkovski, profesor teorijske fizike na Univerzitetu Džon Hopkins, koji nije bio uključen u studiju.
„Mislim da će biti potrebno više posla da se uspostavi veza između ranih galaksija i EDE, ali bez obzira na to kako se stvari ispadnu, to je pametna – i nadamo se na kraju plodna – stvar koju treba pokušati.
„Pokazali smo potencijal rane tamne energije kao jedinstveno rešenje za dva glavna problema sa kojima se suočava kosmologija. Ovo bi mogao biti dokaz za njeno postojanje ako se opservacijski nalazi JVST-a dodatno konsoliduju“, zaključuje Vogelsberger.
„U budućnosti, možemo ovo da ugradimo u velike kosmološke simulacije da vidimo kakva detaljna predviđanja dobijamo.“
