Nowe odkrycia o początkach Wszechświata. Naukowcy zaskoczeni

Początki Wszechświata wciąż kryją zagadki

Choć obecne modele kosmologiczne dobrze opisują wiele aspektów Wszechświata, wciąż zdarzają się odkrycia, które zaskakują naukowców zajmujących się jego historią. Najnowsze, niezwykle precyzyjne obserwacje zaczynają wskazywać na różnice między dotychczasowymi założeniami a rzeczywistością. Dwa opublikowane ostatnio niezależnie badania rzucają światło na te rozbieżności. Oba wykorzystały dane z różnych epok kosmicznych. Wyniki prac ukazały się w prestiżowych czasopismach Nature i Nature Astronomy.

Nieoczekiwany żar w młodej gromadzie galaktyk…

Międzynarodowy zespół astronomów pod kierunkiem naukowców z University of British Columbia skupił się na gromadzie galaktyk oznaczonej jako SPT2349-56. Jest to obiekt niezwykle odległy. Jego światło podróżowało do Ziemi około 12 miliardów lat. Dzięki temu widzimy gromadę taką, jaką była zaledwie (w kosmicznej skali czasu) 1,4 miliarda lat po Wielkim Wybuchu.

Korzystając z wysokiej rozdzielczości sieci radioteleskopów ALMA w Chile, naukowcy zmierzyli temperaturę tzw. gazu intraklastrowego. Tak nazywana jest gorąca plazma wypełniająca przestrzeń między galaktykami w gromadzie. Pomiaru dokonano za pomocą analizy efektu Suniajewa-Zeldowicza, czyli subtelnych zniekształceń w mikrofalowym promieniowaniu tła. Powstają one, gdy fotony tego promieniowania przechodzą przez gorący gaz.

Rezultaty okazały się zaskakujące. Gaz w tej młodej gromadzie jest co najmniej pięć razy gorętszy niż przewidują to podstawowe symulacje formowania się gromad w ramach standardowego modelu kosmologicznego. Po miesiącach weryfikacji okazało się, że gromada nie tylko szybko się uformowała. Została też gwałtownie podgrzana.

Badacze wskazują na najbardziej prawdopodobne źródło tej energii: supermasywne czarne dziury. W centrum SPT2349-56 znajdują się co najmniej trzy takie obiekty. Ich dżety, czyli potężne strugi materii i energii, mogły działać jak ogromne „grzejniki”. Wygląda na to, że „wtryskiwały” one energię i podgrzewały otaczający gaz na dużą skalę znacznie wcześniej, niż sądzono – donosi portal Science Daily.

…i mniejsze zagęszczenie materii niż sądzono

Równolegle, zupełnie inny zespół z University of Sheffield opublikował pracę, która analizuje jedną z poważniejszych niespójności we współczesnej kosmologii. Nazywa się ona napięciem S8. Polega ono na tym, że Wszechświat wydaje się obecnie nieco „rzadszy”, niż wskazywałyby na to pomiary z jego początków.

Skąd bierze się ta różnica? Otóż mapy mikrofalowego promieniowania tła – poświaty Wielkiego Wybuchu, zarejestrowanej przez teleskopy Planck i ACT – sugerują, jak bardzo materia (głównie ciemna materia) powinna była się zgęścić pod wpływem grawitacji przez ostatnie 13 miliardów lat. Tymczasem współczesne przeglądy nieba, takie jak Dark Energy Survey, które bezpośrednio liczą i mierzą rozmieszczenie galaktyk, pokazują nieco mniejsze zagęszczenie materii niż te przewidywania.

Neutriny mogły być „hamulcem” ciemnej materii

Aby rozwiązać tę zagadkę, naukowcy z Sheffield rozważyli w swoim modelu nową możliwość. To oddziaływanie ciemnej materii z neutrinami. Neutrina to niezwykle lekkie, niemal pozbawione masy cząstki elementarne, które przenikają przez cały Wszechświat (i przez nasze ciała) miliardy razy na sekundę. Praktycznie bez wchodzenia przy tym w interakcje. Standardowy model kosmologii zakłada, że nie oddziałują one również z ciemną materią.

Jednak nowa analiza statystyczna łącząca gigantyczne zbiory danych z różnych epok kosmicznych wykazała, że lepiej pasuje do obserwacji model, który dopuszcza nawet słabe oddziaływanie między tymi składnikami. Skąd takie wnioski? Gdyby ciemna materia „odczuwała” obecność neutrin, ich oddziaływanie działałoby jak kosmiczny „hamulec”. Neutrina, poruszając się z ogromnymi prędkościami, odbierałyby ciemnej materii część pędu. I w ten sposób spowalniałaby proces jej gromadzenia się pod wpływem grawitacji. To wyjaśniałoby, dlaczego dzisiejszy Wszechświat jest mniej „zbity” w gromady, niż wcześniej zakładano.

Co dalej? Kosmiczne zagadki czekają na rozwiązanie

Oba zespoły badaczy podkreślają wstępny charakter odkryć. Wskazują też na potrzebę ich potwierdzenia. W przypadku gorącej gromady kluczowe będzie zrozumienie, w jaki sposób różne gwałtowne procesy – intensywne powstawanie gwiazd, aktywność czarnych dziur i dynamika gorącego gazu – mogły współistnieć i współdziałać w tak zwartym, młodym systemie.

Ciemna materia do wyjaśnienia

Jeśli zaś chodzi o interakcję ciemnej materii z neutrinami, jest to na razie interesująca możliwość statystyczna. Gdyby jednak została potwierdzona, byłby to fundamentalny przełom – uważają badacze. Konieczna będzie weryfikacja za pomocą danych pochodzących z jeszcze czulszych obserwatoriów.

Te nowe odkrycia mogą wskazywać, gdzie mogą kryć się nowe, nieuwzględnione dotąd fizyczne procesy. Pokazują one, jak precyzyjna kosmologia XXI wieku, oparta na łączeniu ogromnych zbiorów danych, wchodzi w fazę testowania najdrobniejszych szczegółów naszej kosmicznej historii. A z całą pewnością wciąż nie zapisano w niej ostatniego słowa.

Przeczytaj także: Przełom na Marsie. Woda leży tuż pod powierzchnią planety