Как темная энергия может дать ответы на две космические загадки

Астрофизики долгое время пытались примирить противоречия в нашем понимании расширения Вселенной и формирования галактик. Но теперь новаторское исследование ученых Массачусетского технологического института позволяет предположить, что темная энергия, таинственная сила, которая интриговала астрономов на протяжении десятилетий, может стать ключом к разгадке некоторых из этих давних космических загадок.

Считается, что темная энергия, составляющая около 70% всей энергии и материи Вселенной, является движущей силой ускоренного расширения Вселенной. Действуя как антигравитация, она оказывает отрицательное давление, противодействуя гравитационным силам и выталкивая Вселенную наружу. Впервые концептуально сформулированная физиком Майклом С. Тернером в 1998 году, темная энергия остается одним из самых неуловимых явлений в астрофизике.

Одной из самых загадочных проблем в космологии является хаббловское противоречие —расхождение между различными методами измерения скорости расширения Вселенной. Одни методы говорят о том, что Вселенная расширяется быстрее, чем предсказывают другие. Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института предлагает объяснить эти противоречивые результаты ранним всплеском темной энергии.

Кроме того, наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) выявили удивительное количество массивных галактик в ранней Вселенной — гораздо больше, чем предсказывали существующие модели. Новое исследование MIT предполагает, что ранняя темная энергия также может объяснить это неожиданное обилие галактик.

«Перед нами две монументальные загадки», — объясняет Рохан Найду, соавтор исследования и постдок в Институте астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института. «Наши результаты свидетельствуют о том, что ранняя темная энергия обеспечивает простое и элегантное решение обеих проблем».

Как телескоп Джеймса Уэбба меняет наше понимание

Когда телескоп JWST начал улавливать свет из самых дальних уголков Вселенной, он обнаружил галактики, образовавшиеся уже через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Согласно прежним теориям, столь массивные структуры не могли сформироваться так рано. Однако JWST обнаружил галактики размером с Млечный Путь гораздо раньше, чем предполагалось.

Ведущий автор работы Сюэцзянь (Джейкоб) Шен отмечает, к чему это привело: «Эти яркие, сгруппированные галактики появились гораздо раньше, чем мы ожидали. Это все равно что увидеть огни города, когда мы думали, что в те ранние космические мгновения увидим лишь небольшие сельские поселения».

Центральное место в этом исследовании занимает концепция ореолов темной материи — областей пространства, где гравитация усиливается, притягивая материю и создавая основу для формирования галактик. Команда Массачусетского технологического института смоделировала, как темная энергия могла повлиять на формирование этих ореолов, что привело к раннему развитию более крупных галактик.

«Мы считаем гало из темной материи скелетом Вселенной», — говорит Шен. «Галактики формируются внутри них, и наша модель показывает, как ранняя темная энергия могла увеличить количество этих гало, что привело к появлению более крупных и ярких галактик».

Новый взгляд на Хаббловское натяжение

Исследователи также разработали модель ранней темной энергии (EDE) для решения проблемы Хаббла. Отрегулировав количество темной энергии, которое могло существовать в ранней Вселенной, они обнаружили, что эти модели могут разрешить противоречивые измерения скорости расширения Вселенной. Их работа показывает, что ранняя темная энергия, вероятно, сыграла значительную роль в формировании космической структуры, которую мы видим сегодня.

«Наши результаты свидетельствуют о том, что ранняя Вселенная была гораздо более богатой и кластеризованной, чем считалось ранее», — объясняет Найду. «Это имеет глубокие последствия для нашего понимания того, как развивалась Вселенная».

Команда Массачусетского технологического института надеется, что дальнейшие наблюдения JWST подтвердят их теории и, возможно, перепишут наше понимание ранних дней Вселенной. Соавтор Марк Фогельсбергер добавляет: «Если наши выводы подтвердятся при дальнейшем изучении, мы сделаем большой шаг к пониманию двух самых сложных вопросов в космологии. Наши следующие шаги включают в себя интеграцию ранней темной энергии в более крупные моделирования, чтобы еще больше уточнить наши предсказания».

Пока космологи продолжают изучать влияние темной энергии на расширение и структуру Вселенной, возможно, скоро мы получим ответы на вопросы, которые озадачивали ученых на протяжении десятилетий. Исследование «Ранние галактики и ранняя темная энергия: Единое решение хаббловской напряженности и загадки массивных ярких галактик, выявленных JWST» было опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 13 сентября 2024 года.

Одной из ключевых задач астрофизики является понимание механизма, лежащего в основе темной энергии и ее влияния на эволюцию Вселенной. Исследования команды MIT показывают, что ранняя темная энергия не только помогает объяснить хаббловское противоречие, но и предлагает новую перспективу на распределение галактик в пространстве. Это открытие может привести к пересмотру существующих моделей формирования галактик, которые долгое время основывались на предположениях о более медленном расширении.

С каждым новым наблюдением, полученным телескопом JWST, астрономы получают всё больше данных, которые ставят под сомнение классические теории. Важно, что новаторские подходы исследователей открывают возможность для создания более комплексных моделей, учитывающих динамику ранней Вселенной. Интеграция этих результатов в новые гипотезы обогащает наше понимание космоса и его тайных процессов.

Кроме того, продолжение работы над моделями темной энергии может пролить свет на другие неразрешенные проблемы в астрофизике, такие как природа темной материи и возможности её взаимодействия с нормальной материей. Предстоят захватывающие открытия, которые могут изменить наши представления о Вселенной в целом.