Выявлено загадочное подавление роста космических структур

В новом исследовании команды ученых из различных университетов анализируется наиболее полный набор данных о скоплении галактик для проверки модели ΛCDM, выявляются расхождения в формировании космических структур во Вселенной, что указывает на новую физику.

Модель ΛCDM (Модель Лямбда-CDM от Lambda-Cold Dark Matter) — это современная стандартная модель космологии, описывающая эволюцию, расширение и структуру Вселенной. Она охватывает холодную темную материю (CDM), обычную материю и излучение, а также космологическую постоянную (Λ), которая учитывает темную энергию.

Модель успешно объяснила ряд космологических наблюдений, включая крупномасштабную структуру Вселенной, ускоряющееся расширение Вселенной и космическое микроволновое фоновое излучение (CMB), которое является послесвечением Большого взрыва.

Несмотря на это, ΛCDM не учитывает такие явления, как космическая инфляция, темная энергия и темная материя. Недавние наблюдения, такие как данные DESI (Dark Energy Survey Instrument), предположили потенциальные аномалии в ΛCDM.

Исследовательская группа поставила перед собой цель проанализировать, могут ли эти аномалии быть связаны и указывать на конкретную новую физическую модель.

«Возможность предсказывать что-либо о Вселенной — это здорово, но что особенно приятно, так это то, что у нас есть множество различных наблюдаемых данных из множества обзоров, измерения которых мы можем моделировать, используя одну последовательную эффективную теорию» — говорят ученые.

Соединяя космические точки

Как уже упоминалось, модель ΛCDM не учитывает некоторые явления, выявленные в ходе недавних наблюдений.

К ним относятся несоответствие между прямыми и косвенными измерениями скорости расширения Вселенной (напряжение Хаббла), несоответствие между прямыми и косвенными измерениями кластеризации материи, т. е. роста структуры (напряжение σ8), а также недавние данные DESI, предполагающие возможные доказательства существования динамической темной энергии.

Подход исследовательской группы является новым, поскольку они хотели увидеть, может ли та же самая базовая физика объяснить эти аномалии. Чтобы проверить гипотезу, исследователи объединили измерения из нескольких источников, чтобы создать всеобъемлющий набор данных.

Сюда вошел набор данных BOSS (спектроскопическое исследование барионных колебаний) DR12 с северными и южными галактическими шапками, выборки LOWZ (галактики с малым красным смещением) и CMASS (галактики с большой массой), охватывающие различные диапазоны красного смещения, а также кросс-корреляцию с картами гравитационного линзирования CMB от миссии Planck.

Эти данные были проанализированы в двух вариантах: в рамках стандартной модели ΛCDM и в рамках динамической модели темной энергии для проверки результатов DESI.

Вселенная растет слишком медленно?

Анализ ΛCDM выявил более низкую скорость роста космических структур, чем прогнозировалось, что свидетельствует о значительном несоответствии (напряжение 4,5σ) результатам Планка.

Кроме того, были подтверждены существующие значения плотности материи, постоянной Хаббла и роста структур.

В динамическом анализе темной энергии команда ученых не нашла убедительных доказательств динамической темной энергии, что говорит о том, что темная энергия ведет себя как космологическая константа. Наблюдаемое подавление роста структуры похоже на то, что предсказывает анализ ΛCDM.

Наконец, значение постоянной Хаббла согласуется с данными Планка, но не согласуется с прямыми локальными измерениями.

«Мы обнаружили, что формирование структур в поздней Вселенной, где эффекты темной энергии наиболее выражены, по крайней мере, по данным наблюдений галактик в обзоре BOSS, по-видимому, существенно подавлено по сравнению с ожиданиями относительно ранней Вселенной и реликтового излучения», — говорят исследователи.

«Это верно даже тогда, когда мы допускаем отклонение истории расширения от стандартной космологической постоянной в форме темной энергии».

Новая физика или ошибки в данных

По словам ученых, вероятность того, что подавленный рост структур является случайным событием, составляет 1 к 300 000, что убедительно свидетельствует о том, что происходит что-то необъяснимое в форме неизвестной систематики в данных или новой физики.

Результаты также предоставляют самые веские на сегодняшний день доказательства существования напряжения σ 8 и показывают, что динамическая темная энергия не может его разрешить.

«В дополнение к новым методам наблюдений и упомянутым систематическим тестам, если этот сигнал сохранится, будет интересно посмотреть, какие виды новой физики могут помочь разрешить напряженность с CMB», — говорят ученые.

«Например, было бы очень здорово, если бы нестандартные кандидаты на роль темной материи, такие как аксионная темная материя или темная материя, которая каким-то образом взаимодействует сама с собой или барионами, что может изменить формирование структур, могли объяснить этот сигнал».

Результаты исследования бросают вызов нашему пониманию формирования космических структур и, что еще важнее, одной из самых фундаментальных моделей в космологии.

Данные предстоящих обзоров галактик прояснят эти расхождения и позволят понять, нужны ли нам фундаментальные изменения в понимании крупномасштабных структур во Вселенной.