De groei van de kosmische structuur werd op mysterieuze wijze onderdrukt

Wetenschappers hebben ontdekt dat kosmische structuren langzamer groeien dan voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie, waarbij donkere energie een dominantere remmende rol speelt dan eerder werd gedacht. Deze ontdekking kan ons begrip van donkere materie, donkere energie en fundamentele kosmologische theorieën hervormen.

Naarmate het universum evolueert, verwachten wetenschappers dat grote kosmische structuren in een bepaald tempo zullen groeien: dichte gebieden zoals clusters van sterrenstelsels zullen dichter worden, terwijl het vacuüm van de ruimte leger zal worden.

Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben echter ontdekt dat de groeisnelheid van deze grote structuren langzamer is dan voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie.

Ze toonden ook aan dat hoewel donkere energie de mondiale uitdijing van het universum versnelt, de onderdrukking van de groei van de kosmische structuur die de onderzoekers in hun gegevens zien meer uitgesproken is dan de theorie voorspelt. Hun resultaten werden op 11 september gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven.

Het kosmische web

Sterrenstelsels zijn door ons hele universum met elkaar verbonden als een gigantisch kosmisch spinnenweb. Hun verdeling is niet willekeurig. In plaats daarvan hebben ze de neiging om samen te clusteren. In feite begon het hele kosmische web als kleine klontjes materie in het vroege heelal, die geleidelijk uitgroeiden tot individuele sterrenstelsels en uiteindelijk tot clusters en filamenten van sterrenstelsels.

“In de loop van de kosmische tijd trekt een klein massamassa steeds meer materie uit zijn lokale regio aan en accumuleert deze door middel van zwaartekrachtinteractie. Naarmate de regio dichter wordt, “stort het uiteindelijk in onder zijn eigen zwaartekracht.”

“Dus als ze instorten, neemt de dichtheid van de klonten toe. Dat bedoelen we met groei. Het is als een weefgetouw waarbij de een-, twee- en driedimensionale instortingen eruitzien als een blad, een draad en een knoop. De realiteit is een combinatie van de drie toestanden, en je hebt sterrenstelsels die langs de draden leven, terwijl clusters van sterrenstelsels – clusters van duizenden sterrenstelsels – de meest massieve objecten in ons universum, gebonden door zwaartekracht – in de knooppunten zitten.

Donkere energie en kosmische expansie

Het universum bestaat niet alleen uit materie. Het bevat waarschijnlijk ook een mysterieuze component die donkere energie wordt genoemd. Donkere energie versnelt de uitdijing van het heelal op wereldschaal. Terwijl donkere energie de uitdijing van het heelal versnelt, heeft dit het tegenovergestelde effect op grotere structuren.

“Als de zwaartekracht fungeert als een versterker die ervoor zorgt dat verstoringen van de materie uitgroeien tot grootschalige structuren, dan werkt donkere energie als een demper op deze verstoringen en vertraagt ​​ze de groei van de structuur”, zegt Nguyen. “Door te bestuderen hoe de kosmische structuur samenkomt en groeit, kunnen we proberen de aard van de zwaartekracht en donkere energie te begrijpen.”

Methodologie en sondes

Nguyen, hoogleraar natuurkunde Dragan Huterer van de Universiteit van Maryland, en afgestudeerde student Yuyu Wen van de Universiteit van Maryland, onderzochten de temporele groei van grootschalige structuren gedurende de kosmische tijd met behulp van verschillende kosmologische sondes.

Ten eerste gebruikte het team de zogenaamde kosmische microgolfachtergrond. De kosmische microgolfachtergrond, of CMB, bestaat uit fotonen die direct na… de grote explosie. Deze fotonen bieden een momentopname van het zeer vroege heelal. Terwijl fotonen naar onze telescopen reizen, kan hun pad onderweg worden vervormd of door de zwaartekracht worden beïnvloed door uitgebreide structuren. Door ze te onderzoeken kunnen onderzoekers afleiden hoe structuur en materie zijn verdeeld tussen ons en de kosmische microgolfachtergrond.

Nguyen en zijn collega’s profiteerden van een soortgelijk fenomeen: zwakke zwaartekrachtlenzen van de vormen van sterrenstelsels. Licht van achtergrondstelsels wordt vervormd door zwaartekrachtinteracties met voorgrondmaterie en sterrenstelsels. Kosmologen decoderen vervolgens deze vervormingen om te bepalen hoe de tussenliggende materie wordt verdeeld.

“Omdat de CMB en de achtergrondstelsels zich op verschillende afstanden van ons en onze telescopen bevinden, is het van cruciaal belang dat zwakke zwaartekrachtlensvorming van sterrenstelsels de verdeling van materie later onderzoekt dan ze doen via zwakke zwaartekrachtlensvorming van de CMB,” zegt Nguyen.

Om de groei van de structuur naar latere tijden te traceren, gebruikten de onderzoekers ook de bewegingen van sterrenstelsels in het lokale universum. Wanneer sterrenstelsels in de zwaartekrachtbronnen van onderliggende kosmische structuren vallen, volgen hun bewegingen direct de groei van de structuur.

“Het verschil in groeipercentages dat we waarschijnlijk zullen detecteren wordt groter naarmate we dichter bij het heden komen”, aldus Nguyen. “Individueel en collectief wijzen deze verschillende onderzoeken op remming van de groei. Ofwel missen we een systematische fout in elk van deze sondes, ofwel missen we een nieuwe, late fase-fysica in ons standaardmodel.”

Stressbeheersing S8

De resultaten pakken mogelijk de zogenaamde S8-spanning in de kosmologie aan. S8 is een parameter die de groei van de structuur beschrijft. Er ontstaat spanning wanneer wetenschappers twee verschillende methoden gebruiken om de waarde van S8 te bepalen, maar ze het niet eens zijn. De eerste methode, waarbij gebruik wordt gemaakt van fotonen uit de kosmische microgolfachtergrond, geeft een hogere S8-waarde aan dan de waarde die wordt afgeleid uit zwakke zwaartekrachtlenzen van sterrenstelsels en metingen van clusters van sterrenstelsels.

Geen van deze sondes meet vandaag de structuurgroei. In plaats daarvan onderzochten ze de structuur eerder en extrapoleerden ze vervolgens naar de huidige tijd, uitgaande van het standaardmodel. De structuur van kosmische achtergrondsondes in het vroege heelal, terwijl zwakke galactische zwaartekrachtlenzen en de structuur van clustersondes in het late heelal voorkomen.

De bevindingen van de onderzoekers over late groeionderdrukking zouden de twee S8-waarden volgens Nguyen volledig met elkaar in overeenstemming brengen.

“We waren verrast door de hoge statistische significantie van de onderdrukking van dysplasie,” zei Hutterer. “Eerlijk gezegd heb ik het gevoel dat het universum ons iets probeert te vertellen. Het is nu onze taak, als kosmologen, om deze resultaten te interpreteren.”

“We willen graag het statistische bewijs voor groeionderdrukking versterken. We willen ook graag het antwoord begrijpen op de moeilijkere vraag waarom structuren langzamer groeien dan verwacht in het Standaardmodel met donkere materie en donkere energie. Dit effect kan worden veroorzaakt door nieuwe eigenschappen van donkere energie en donkere materie, of een andere uitbreiding.” Voor de algemene relativiteitstheorie en het Standaardmodel hebben we daar nog niet over nagedacht.

Referentie: “Bewijs voor de onderdrukking van structuurgroei in het conforme kosmologische model” door Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer en Yue Wen, 11 september 2023, Fysieke beoordelingsbrieven.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001