Cosmologia modernă se bazează pe o presupunere simplă: dacă privim la scări suficient de mari, materia ar trebui să fie distribuită uniform, fără să existe vreo direcție privilegiată în cosmos. Această presupunere este cunoscută sub numele de principiul cosmologic.
Pe măsură ce noile telescoape de la sol și din spațiu, precum Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) și Euclid, furnizează hărți tot mai detaliate ale universului, această presupunere poate fi, în sfârșit, testată în mod riguros.
În noua noastră lucrare, prezentăm dovezi potrivit cărora distribuția galaxiilor nu este uniformă la cele mai mari scări pe care le putem testa în prezent. Folosind datele DESI, am identificat tipare direcționale care se întind pe distanțe de câteva miliarde de ani-lumină.
Dacă rezultatele noastre vor fi confirmate, fizicienii vor trebui să regândească unele dintre ideile fundamentale despre univers, inclusiv natura materiei întunecate și modul în care gravitația modelează distribuția materiei la cele mai mari scări.
Un model care a funcționat remarcabil de bine
Principiul cosmologic stă la baza modelului cosmologic standard, care oferă o „rețetă” a universului: aproximativ 5% materie obișnuită, 25% materie întunecată și 70% energie întunecată, reprezentată prin litera grecească Λ. Acesta este cunoscut drept modelul standard Lambda materie întunecată rece sau ΛCDM.
Modelul s-a bucurat de un succes remarcabil. De exemplu, descrie cu o precizie impresionantă istoria expansiunii universului, formarea elementelor ușoare după Big Bang și radiația cosmică de fond (lumina străveche eliberată atunci când universul a devenit pentru prima dată transparent).
Totuși, tocmai acest succes a făcut ca tensiunile observaționale tot mai numeroase să fie mai greu de ignorat.
Rata expansiunii cosmice este exprimată prin constanta Hubble, dar estimările precise ale ratei actuale de expansiune a universului nu concordă între ele. Această discrepanță a dat naștere unei provocări intens dezbătute la adresa modelului ΛCDM: tensiunea Hubble.
Observațiile recente ale galaxiilor străvechi realizate cu telescopul James Webb pun, de asemenea, sub semnul întrebării modul în care înțelegem formarea structurilor cosmice timpurii.
Mulți cercetători consideră însă că cea mai dificilă enigmă este existența unui dipol neobișnuit de mare – o asimetrie între o direcție a cerului și direcția opusă – în distribuția quasarilor și a radiogalaxiilor foarte îndepărtate. Această observație contrastează puternic cu predicțiile modelului ΛCDM.
În sfârșit, anul trecut, datele DESI au pus sub semnul întrebării însăși natura energiei întunecate, care s-ar putea să nu fie constantă, așa cum se presupune. Această posibilitate zdruncină fundamentele cosmologiei moderne.
Investigarea structurilor cosmice la scară mare
DESI construiește una dintre cele mai detaliate hărți tridimensionale ale universului realizate până acum, măsurând pozițiile galaxiilor pe cer și deplasările lor spre roșu, care ne indică distanțele până la acestea.
Studiul nostru își propune să afle dacă distribuția materiei devine într-adevăr netedă și lipsită de direcții privilegiate la cele mai mari scări pe care le putem observa. Cu alte cuvinte, este principiul cosmologic susținut de cele mai bune date de care dispunem?
Pentru a verifica acest lucru, am folosit o tehnică prin care se măsoară probabilitatea de a găsi o galaxie la o anumită distanță și într-o anumită direcție față de o altă galaxie.
Am efectuat acest calcul pentru toate perechile de galaxii și apoi am determinat media rezultatelor.
Dacă galaxiile sunt distribuite uniform, orientările acestor perechi ar trebui să fie răspândite în mod egal în toate direcțiile. Dacă, în schimb, galaxiile sunt dispuse în filamente sau în pereți cosmici lungi, mai multe perechi se vor alinia de-a lungul anumitor direcții.
O rețea cosmică persistentă
Aplicând această metodă galaxiilor observate de DESI, am identificat un semnal direcțional clar. Perechile de galaxii nu erau orientate aleatoriu, ci prezentau alinieri care urmăreau filamente și pereți cosmici coerenți.
Acest rezultat nu ar fi fost surprinzător dacă semnalul s-ar fi diminuat la scări mai mari. Tiparele au persistat însă pe distanțe enorme, ajungând la câteva miliarde de ani-lumină în cele mai profunde eșantioane analizate.
Rețeaua cosmică nu părea să se estompeze într-o distribuție uniformă și lipsită de direcție la cele mai mari scări pe care le-am putut testa.
Chiar și la cele mai mari scări, universul pare să semene mai curând cu un ghem de fire încâlcite decât cu o ceață difuză.
Am comparat apoi observațiile cu universuri simulate pe baza modelului standard ΛCDM. Diferența a fost izbitoare. Universurile simulate prezentau tipare direcționale mai slabe și mai restrânse în distribuția materiei. Datele DESI reale indicau structuri mai pronunțate, care persistau pe distanțe mult mai mari.
Ce înseamnă acest lucru
Rezultatele noastre sugerează că în cadrul modelului standard nu a existat suficient timp pentru formarea unor structuri atât de mari.
Dacă galaxiile urmăresc distribuția generală a masei, inclusiv a materiei întunecate, tiparele observate în pozițiile lor pun sub semnul întrebării presupunerea potrivit căreia universul devine aproximativ uniform la scări suficient de mari.
O posibilă explicație este că materia întunecată poate interacționa în moduri complexe și neașteptate, care nu sunt incluse în cele mai simple modele.
O altă posibilitate este că avem nevoie de o descriere generală mai complexă a universului, care să acorde un rol mai important neomogenităților de la scară mare.
Sau răspunsul ar putea fi cu totul altul.
Rezultatele noastre indică existența unor structuri coerente care se întind pe miliarde de ani-lumină, mult mai mari decât cele prevăzute de modelul cosmologic standard. Dacă vor fi confirmate, acestea ar încălca în mod direct principiul cosmologic.
Acest lucru ar sugera că materia rămâne organizată în tipare de mare amploare pe distanțe mult mai mari decât se crede în prezent.
Următorul pas nu este speculația, ci măsurătoarea.
Datele viitoare obținute de DESI, Euclid și de alte programe de observare vor fi esențiale. Dacă dovezile se mențin, cosmologii ar putea avea nevoie de noi modele ale formării structurilor și de o imagine revizuită a universului la cele mai mari scări.
Traducere după The universe is less uniform than we thought de Marco Galoppo, PhD Candidate, University of Canterbury Francesco și Sylos Labini, Research director, Enrico Fermi Research Institute.
