В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, 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 — это стандартная модель космологии, описывающая эволюцию, расширение и структуру Вселенной. Она охватывает холодную тёмную материю (CDM), обычную материю и излучение, а также космологическую постоянную (Λ), которая учитывает тёмную 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, тёмная энергия и тёмная 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.
В состав команды входили доктор Ши-Фань Чен из Института перспективных исследований в Нью-Джерси, профессор Михаил Иванов из Массачусетского технологического института, доктор Оливер Филкокс из Колумбийского университета и Лукас Венцль, аспирант Корнелла.
Говоря о мотивации своей работы, доктор Чен сказал: «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».
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 σ 8 ), а также недавние данные DESI, предполагающие возможные доказательства существования динамической тёмной энергии.
Подход исследовательской группы является новым, поскольку они хотят 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-корреляция с картами гравитационного линзирования реликтового излучения Planck.
Эти данные были проанализированы в двух вариантах: в рамках стандартной модели ΛCDM и в рамках динамической модели тёмной энергии для проверки результатов DESI.
Доктор Филкокс объяснил, как они поддерживали высокую точность выбранных данных. «Мы действительно пытались выбрать последовательные определения для выборок галактик, отбрасывая части доступных данных со случайными ошибками в критериях отбора, за счёт наших статистических ограничений, даже когда прошлые анализы использовали эти данные».
«Кроме того, мы провели множество тестов на взаимную корреляцию с линзированием РКФ в рамках предыдущих работ, чтобы убедиться в отсутствии очевидной систематики».
Вселенная растёт слишком медленно?
Анализ ΛCDM выявил несколько 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 тёмной энергии команда не нашла убедительных доказательств динамической тёмной энергии, что говорит о том, что тёмная энергия ведёт 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.
Профессор Иванов объяснил: «Мы обнаружили, что формирование структуры в поздней Вселенной, где эффекты тёмной 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».
«Это справедливо даже тогда, когда мы позволяем истории расширения отклоняться от стандартной космологической постоянной формы тёмной энергии».
Новая физика или ошибки в данных
По словам команды, вероятность того, что подавленный рост структуры 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 тёмная энергия не может его разрешить.
Венцль пояснил: «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 РКФ».
«Например, было бы очень здорово, если бы нестандартные кандидаты на роль тёмной материи, такие как аксионная тёмная материя или тёмная материя, которая каким-то образом взаимодействует сама с собой или барионами, что может изменить формирование структуры, могли объяснить этот сигнал».
Результаты исследования бросают вызов нашему пониманию формирования космической структуры и, что ещё важнее, одной из самых фундаментальных моделей в космологии.
Данные предстоящих обзоров галактик прояснят эти расхождения и позволят определить, нужны ли нам фундаментальные изменения в понимании крупномасштабных структур во Вселенной.
Ведёт расследования о коррупции в любых эшелонах власти
