Nauja straipsnių serija užsimena, kad Visata vis dėlto gali būti ne idealiai vienoda. Jei tai pasitvirtins, tai gali apversti beveik 100 metų senumo kosmologijos modelį aukštyn kojomis.
Ilgos ekspozicijos nuotraukoje matyti baltų žvaigždžių juostų serija naktiniame danguje virš apskritos observatorijos.
Nicholas U. Mayall 4 metrų teleskopas Kitt Peak nacionalinėje observatorijoje Arizonoje yra tamsiosios energijos spektroskopinio instrumento (DESI) vieta, kuris kuria vieną didžiausių kada nors sukurtų Visatos žemėlapių. Teleskopo duomenys atskleidžia subtilius erdvėlaikio prigimties neatitikimus.
(Vaizdo kreditas: DESI Collaboration/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/L. Tyas)
Astronomai sukūrė naują būdą patikrinti vieną iš pagrindinių šiuolaikinės kosmologijos prielaidų – kad Visata elgiasi vienodai didžiausiais masteliais. Taikydami metodą realiems stebėjimo duomenims, tyrėjai aptiko preliminarių ženklų, kad ši prielaida gali būti ne visai teisinga, o tai gali rodyti naują fiziką, viršijančią standartinį kosmologinį modelį.
Darbe derinami tolimų sprogstančių žvaigždžių stebėjimai ir didelio masto galaktikų tyrimai, siekiant ištirti, ar Visata tikrai atitinka beveik 100 metų senumo matematinį modelį, žinomą kaip Friedmanno-Lemaître’o-Robertsono-Walkerio (FLRW) kosmologija. Analizės atskleidė nedidelius, bet intriguojančius nukrypimus nuo standartinio modelio prognozių.
„Pastebėjome stebinantį FLRW kreivumo nuoseklumo testo pažeidimą, kuris užsimena apie naują fiziką, viršijančią standartinį modelį“, – „Live Science“ sakė tyrimo bendraautorė Asta Heinesen, fizikė iš Nielso Bohro instituto Kopenhagoje ir Karalienės Marijos universiteto Londone, turėdama omenyje prielaidą, kad erdvės kreivumas visur yra vienodas. „Tai gali būti dėl įvairių padarinių, tačiau reikia daugiau tyrimų, kad būtų galima išsiaiškinti empiriškai matomo FLRW pažeidimo priežastį.“
Naujas Einšteino reliatyvumo teorijos koregavimas galėtų pakeisti mūsų supratimą apie Didįjį sprogimą.
Išvados buvo pateiktos trijų straipsnių serijoje, kurioje pristatomi nauji kosmologijos diagnostiniai testai ir taikomi esamiems stebėjimo duomenų rinkiniams. Straipsniai, prieinami išankstinio spausdinimo serveryje „arXiv“, dar nebuvo recenzuoti.
Kosmologijos pagrindų tikrinimas
Šiuolaikinė kosmologija remiasi prielaida, kad, žiūrint pakankamai dideliais masteliais, Visata yra homogeniška ir izotropinė – tai reiškia, kad materija yra tolygiai paskirstyta, o kosmosas atrodo maždaug vienodai visomis kryptimis. Ši idėja yra FLRW kosmologijos, kuri sudaro standartinio kosmologijos modelio, pagrindą.
Tačiau realioje Visatoje yra painus kosminis galaktikų, galaktikų spiečių ir didžiulių tuščių sričių, vadinamų tuštumomis, tinklas. Pasak Heineseno, šis sudėtingumas reiškia, kad FLRW aprašymas ne visada gali būti idealiai pritaikytas.
„FLRW kosmologija remiasi prielaida, kad erdvėlaikis yra maksimaliai simetriškas“, – teigė Heinesenas. „Kai yra kosmologinių struktūrų, tokių kaip galaktikų spiečiai ir tuščios erdvės tuštumos, būtina peržengti FLRW erdvėlaikio ribas.“
Tyrėjai sutelkė dėmesį į du galimus efektus, kurie galėtų iškreipti tariamą Visatos geometriją. Vienas iš jų yra Dyer-Roeder efektas, atsirandantis todėl, kad šviesa iš tolimų objektų dažnai sklinda daugiausia per tuščias erdvės sritis, o ne per materijos turtingą aplinką. Dėl to fizikai gali nepastebėti didelės dalies Visatos materijos tankio, todėl Visata mums atrodytų tuštesnė, nei yra iš tikrųjų, – aiškino Heinesenas.
Antroji galimybė apima efektą, vadinamą kosmologine atgaline reakcija. Šiuo atveju didelio masto kosminių struktūrų augimas keičia vidutinį pačios erdvės plėtimąsi.
Tamsiosios energijos spektroskopinio instrumento (DESI) 3 metų Visatos žemėlapis rodo materijos pasiskirstymą erdvėlaikyje. Nauji tyrimai, pagrįsti DESI ir kitais tyrimų duomenimis, rodo, kad mūsų standartinį kosmologijos modelį gali reikėti atnaujinti.
(Vaizdo kreditas: DESI Collaboration/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor)
Naujas būdas tyrinėti kosminę geometriją
Norėdami ištirti šias galimybes, tyrėjai atliko matematinio nuoseklumo testus, skirtus patikrinti, ar stebėjimo duomenys atitinka FLRW Visatoje numatytas taisykles. Visų pirma, jie naudojo Clarkson-Bassett-Lu testo variantus – metodą, kuris lygina kosminių atstumų ir plėtimosi greičių matavimus.
Komanda sukūrė bendresnę sistemą, kuri veikia net tada, kai Visata ne visai atitinka FLRW prielaidas.
Jie taip pat pristatė mašininio mokymosi metodus, vadinamus simboline regresija, kad tiesiogiai iš stebėjimo duomenų rekonstruotų kosminio plėtimosi istoriją. Užuot darę prielaidą apie iš anksto nustatytą kosmologinį modelį, šis metodas ieško matematinių išraiškų, kurios geriausiai atitiktų duomenis.
Naudodami stebėjimus iš „Pantheon+“ supernovų katalogo kartu su matavimais iš Tamsiosios energijos spektroskopinio instrumento (DESI) – didelio tarptautinio projekto, kuris sudaro milijonų galaktikų žemėlapius visoje Visatoje – tyrėjai rekonstravo, kaip greitai kosmosas plėtėsi laikui bėgant. Jie taip pat panaudojo duomenis iš barionų akustinių osciliacijų tyrimų, kurie seka senovinius galaktikų pasiskirstymo modelius, kuriuos paliko garso bangos, sklindančios per karštą ankstyvosios Visatos plazmą.
Analizės atskleidė nedidelius, bet potencialiai svarbius nukrypimus nuo standartinės FLRW kosmologijos prognozių. Priklausomai nuo duomenų rinkinio ir analizės metodo, neatitikimas pasiekė statistinį reikšmingumą – maždaug 2–4 sigmas. Fizikoje sigma matuoja tikimybę, kad rezultatas atsiras grynai atsitiktinai; prieš mokslininkams paskelbiant apie atradimą, paprastai reikia 5 sigmos rezultato, todėl nauji rezultatai lieka preliminarūs. Vis dėlto rezultatai rodo, kad kažkas netikėto gali turėti įtakos Visatos geometrijai ar plėtimuisi.
„Pagrindinis atradimas yra tas, kad galima tiesiogiai išmatuoti Dyerio-Roederio ir atgalinės reakcijos efektus iš turimų kosmologinių duomenų ir aiškiai atskirti šiuos efektus nuo kitų standartinio kosmologinio modelio pakeitimų, tokių kaip besivystanti tamsioji energija ir modifikuotos gravitacijos teorijos“, – sakė Heinesenas. „Anksčiau tai nebuvo įmanoma tokiu tiesioginiu būdu, ir manau, kad tai yra mūsų darbo proveržis.“
Iššūkiai ir ateities kryptys
Tyrėjai perspėjo, kad įrodymai vis dar yra preliminarūs. Dabartiniai kosmologiniai duomenys vis dar yra gana menki, ypač matuojant Visatos plėtimosi greitį skirtingomis epochomis. Simbolinės regresijos metodai taip pat įneša neapibrėžtumų, kuriuos reikia toliau tirti.
Straipsniuose autoriai pabrėžė, kad norint nustatyti, ar akivaizdūs FLRW pažeidimai yra tikri, bus būtini geresni stebėjimai iš būsimų tyrimų.
„Jei šie nurodyti nukrypimai nuo FLRW geometrijos yra tikri, tai reikštų, kad dauguma kosmologinių sprendimų, svarstomų sprendžiant kosmologines įtampas – besivystanti arba sąveikaujanti tamsioji energija, nauji materijos ar energijos tipai, pakitusi gravitacija ir susijusios idėjos FLRW sistemoje – yra atmesti“, – rašė tyrėjai.
Kitas žingsnis bus naujos teorinės sistemos taikymas didesniems ir tikslesniems duomenų rinkiniams. „Tai reiškia pritaikyti mūsų teorinius rezultatus duomenims, kad būtų galima patikrinti standartinį modelį ir nustatyti apribojimus Dyer-Roeder ir atgalinės reakcijos efektams“, – sakė Heinesenas.
Kadangi šis metodas jau gali būti naudojamas su esamais astronominiais stebėjimais, tyrėjai netrukus gali gauti aiškesnių atsakymų apie tai, ar Visata iš tikrųjų atitinka paprastą didelio masto vaizdą, kurį numato standartinė kosmologija, ar paslėpti sudėtingumai keičia mūsų supratimą apie kosminę evoliuciją.
Pamatyti tai, kas nepastebėta: kaip žvaigždžių spiečiai padeda atkurti galaktikų istoriją
Sombrero galaktikos didžiulė aureolė išryškėja retai matomomis detalėmis už 30 milijonų šviesmečių
Visata yra holograma: kodėl drąsiausia Stepheno Hawkingo teorija gali būti teisinga