Eine künstlerische Darstellung der Materie im frühen Universum, die sich im späten Universum langsam zu größeren kosmischen Strukturen zusammenfügt. Bildnachweis: Minh Nguyen, University of Michigan und Thanh Nguyen (Ehemann)
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass kosmische Strukturen langsamer wachsen als von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt, wobei dunkle Energie eine dominantere hemmende Rolle spielt als bisher angenommen. Diese Entdeckung könnte unser Verständnis von dunkler Materie, dunkler Energie und grundlegenden kosmologischen Theorien verändern.
Während sich das Universum entwickelt, erwarten Wissenschaftler, dass große kosmische Strukturen mit einer bestimmten Geschwindigkeit wachsen: Dichte Regionen wie Galaxienhaufen werden dichter, während das Vakuum des Weltraums leerer wird.
Forscher der University of Michigan haben jedoch herausgefunden, dass die Wachstumsrate dieser großen Strukturen langsamer ist als von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt.
Sie zeigten auch, dass dunkle Energie zwar die globale Expansion des Universums beschleunigt, die Unterdrückung des Wachstums der kosmischen Struktur, die die Forscher in ihren Daten sehen, jedoch ausgeprägter ist, als die Theorie vorhersagt. Ihre Ergebnisse wurden am 11. September in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Das kosmische Netz
Galaxien sind in unserem Universum wie ein riesiges kosmisches Spinnennetz miteinander verbunden. Ihre Verteilung ist nicht zufällig. Stattdessen neigen sie dazu, sich zusammenzuballen. Tatsächlich begann das gesamte kosmische Netz im frühen Universum als kleine Materieklumpen, die sich nach und nach zu einzelnen Galaxien und schließlich zu Galaxienhaufen und Filamenten entwickelten.
„Im Laufe der kosmischen Zeit zieht ein kleiner Massenklumpen durch Gravitationswechselwirkung immer mehr Materie aus seiner lokalen Region an und akkumuliert sie. Wenn die Region dichter wird, „kollabiert sie schließlich unter ihrer eigenen Schwerkraft.“
„Wenn sie also zusammenfallen, nimmt die Dichte der Klumpen zu. Das ist es, was wir mit Wachstum meinen. Es ist wie ein Webstuhl, bei dem die ein-, zwei- und dreidimensionalen Zusammenbrüche wie ein Blatt, ein Faden und ein Knoten aussehen.“ Die Realität ist eine Kombination der drei Zustände, und es gibt Galaxien, die entlang der Fäden leben, während Galaxienhaufen – Ansammlungen von Tausenden von Galaxien – die massereichsten Objekte in unserem Universum, die durch die Schwerkraft gebunden sind – in den Knoten sitzen.
Dunkle Energie und kosmische Expansion
Das Universum besteht nicht nur aus Materie. Es enthält wahrscheinlich auch eine mysteriöse Komponente namens dunkle Energie. Dunkle Energie beschleunigt die Expansion des Universums auf globaler Ebene. Während dunkle Energie die Expansion des Universums beschleunigt, hat sie bei größeren Strukturen den gegenteiligen Effekt.
„Wenn die Schwerkraft als Verstärker fungiert, der Störungen der Materie fördert, damit sie zu großräumigen Strukturen heranwachsen, dann wirkt dunkle Energie als Dämpfer auf diese Störungen und verlangsamt das Wachstum der Struktur“, sagte Nguyen. „Indem wir untersuchen, wie sich kosmische Strukturen zusammensetzen und wachsen, können wir versuchen, die Natur der Schwerkraft und der dunklen Energie zu verstehen.“
Methodik und Sonden
Nguyen, der Physikprofessor Dragan Huterer von der University of Maryland und der Doktorand Yuyu Wen von der University of Maryland untersuchten mithilfe mehrerer kosmologischer Sonden das zeitliche Wachstum großräumiger Strukturen im Laufe der kosmischen Zeit.
Zunächst nutzte das Team den sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrund. Der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) besteht aus Photonen, die direkt nach … emittiert werden. die große Explosion. Diese Photonen liefern eine Momentaufnahme des sehr frühen Universums. Während Photonen zu unseren Teleskopen wandern, kann ihr Weg durch ausgedehnte Strukturen auf dem Weg verzerrt oder durch die Schwerkraft beeinflusst werden. Durch ihre Untersuchung können Forscher schließen, wie Struktur und Materie zwischen uns und dem kosmischen Mikrowellenhintergrund verteilt sind.
Nguyen und seine Kollegen machten sich ein ähnliches Phänomen der schwachen Gravitationslinsenwirkung von Galaxienformen zunutze. Licht von Hintergrundgalaxien wird durch Gravitationswechselwirkungen mit Vordergrundmaterie und Galaxien verzerrt. Kosmologen entschlüsseln diese Verzerrungen dann, um zu bestimmen, wie die dazwischenliegende Materie verteilt ist.
„Da die CMB- und Hintergrundgalaxien unterschiedliche Entfernungen von uns und unseren Teleskopen haben, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die schwache Gravitationslinse von Galaxien die Materieverteilungen typischerweise später erforscht als die schwache Gravitationslinse der CMB“, sagte Nguyen.
Um das Wachstum der Struktur bis in spätere Zeiten zurückzuverfolgen, nutzten die Forscher auch die Bewegungen von Galaxien im lokalen Universum. Wenn Galaxien in die Gravitationsquellen darunter liegender kosmischer Strukturen fallen, folgen ihre Bewegungen direkt dem Wachstum der Struktur.
„Der Unterschied in den Wachstumsraten, den wir wahrscheinlich feststellen werden, wird umso deutlicher, je näher wir der Gegenwart kommen“, sagte Nguyen. „Einzeln und insgesamt deuten diese verschiedenen Untersuchungen auf eine Wachstumshemmung hin. Entweder übersehen wir in jeder dieser Sonden einen systematischen Fehler, oder wir vermissen in unserem Standardmodell eine neue Physik im Spätstadium.“
Stressbewältigung S8
Die Ergebnisse befassen sich möglicherweise mit der sogenannten S8-Spannung in der Kosmologie. S8 ist ein Parameter, der das Wachstum der Struktur beschreibt. Spannung entsteht, wenn Wissenschaftler zwei unterschiedliche Methoden verwenden, um den Wert von S8 zu bestimmen, sie sich aber nicht einig sind. Die erste Methode, die Photonen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund verwendet, weist auf einen höheren S8-Wert hin als der Wert, der aus schwachen Galaxiengravitationslinsen- und Galaxienhaufenmessungen abgeleitet wird.
Keine dieser Sonden misst heute das Strukturwachstum. Stattdessen untersuchten sie die Struktur zu früheren Zeiten und extrapolierten diese Messungen dann auf die heutige Zeit, wobei sie das Standardmodell annahmen. Die Struktur kosmischer Mikrowellenhintergrundsonden im frühen Universum, während schwacher galaktischer Gravitationslinseneffekt und die Struktur von Clustersonden im späten Universum.
Die Erkenntnisse der Forscher zur Spätwachstumsunterdrückung würden laut Nguyen die beiden S8-Werte völlig in Übereinstimmung bringen.
„Wir waren überrascht von der hohen statistischen Signifikanz der Unterdrückung der Dysplasie“, sagte Hutterer. „Ehrlich gesagt habe ich das Gefühl, dass das Universum versucht, uns etwas zu sagen. Unsere Aufgabe als Kosmologen besteht jetzt darin, diese Ergebnisse zu interpretieren.“
„Wir möchten die statistischen Beweise für Wachstumsunterdrückung stärken. Wir möchten auch die Antwort auf die schwierigere Frage verstehen, warum Strukturen langsamer wachsen als im Standardmodell mit dunkler Materie und dunkler Energie erwartet. Dieser Effekt kann durch verursacht werden.“ neue Eigenschaften der Dunklen Energie und Dunklen Materie oder eine andere Erweiterung.“ Über die Allgemeine Relativitätstheorie und das Standardmodell haben wir noch nicht nachgedacht.
Referenz: „Beweise für die Unterdrückung des Strukturwachstums im konformen kosmologischen Modell“ von Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer und Yue Wen, 11. September 2023, Briefe zur körperlichen Untersuchung.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001