Könnten Quantenfluktuationen im frühen Universum die Entstehung massiver Galaxienhaufen fördern?

Astrophysiker versuchen seit Jahrzehnten, die Entstehung kosmologischer Objekte und Phänomene im Universum zu verstehen. Frühere theoretische Studien deuten darauf hin, dass Quantenfluktuationen im frühen Universum, bekannt als primordiale Quantendiffusion, zu sogenannten primordialen Schwarzen Löchern geführt haben könnten.

In einer Veröffentlichung in Briefe zur körperlichen Überprüfung, untersuchten Forscher des Niels-Bohr-Instituts, der Universidad Autónoma de Madrid und der CNRS Université de Paris kürzlich die Möglichkeit, dass diese Schwankungen auch die Entstehung noch größerer kosmologischer Strukturen wie schwerer Galaxienhaufen wie „El Gordo“ beeinflussen könnten. El Gordo ist der größte ferne Galaxienhaufen, der jemals mit vorhandenen Teleskopen beobachtet wurde und der vor mehr als 10 Jahren erstmals aufgenommen wurde.

„Die Frage, wie sich die Struktur im Universum gebildet hat, mag eine der ältesten sein, aber seit den frühen 1980er Jahren hat sie eine neue Dimension gewonnen“, sagte Jose María Ezquiaga, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org . „Zu dieser Zeit erkannten Wissenschaftler die unglaubliche Verbindung zwischen den kleinsten und den größten Skalen, in denen Quantenfluktuationen im sehr frühen Universum durch eine kosmische Inflation gestreckt werden, um die Bildung von Galaxien und großräumigen Strukturen im Universum auszulösen.“

Nachdem die Physiker begonnen hatten, mehr über die Verbindungen zwischen dem frühen und dem späten Universum zu lernen, entstand die Idee, dass Schwarze Löcher im frühen Universum entstehen könnten. Im Jahr 2015 erneuerten die ersten Beobachtungen von Verschmelzungen von Schwarzen Löchern durch Gravitationswellen das Interesse an diesem Bereich und lösten neue theoretische Studien aus, die sich auf den ursprünglichen Ursprung von Schwarzen Löchern konzentrierten.

„Juan, Vincent und ich haben die Entstehung ursprünglicher Schwarzer Löcher im frühen Universum untersucht“, sagte Ezquiaga. „Unser Hauptbeitrag war die Erkenntnis, dass, wenn Quantenfluktuationen die Dynamik der kosmischen Inflation dominieren, dies zu einem Spektrum von Dichtefluktuationen führt, das nicht gaußförmig ist, mit starken exponentiellen Ausläufern. Mit anderen Worten, die Quantendiffusion erleichtert es, große Fluktuationen zu erzeugen das würde in ein ursprüngliches Schwarzes Loch kollabieren.“

Nachdem Ezquiaga und seine Kollegen Vincent Vennin und Juan Garcia-Bellido primordiale Schwarze Löcher im frühen Universum untersucht hatten, begannen sie sich zu fragen, ob der gleiche Mechanismus, der ihrer Entstehung zugrunde liegt, nämlich ein verstärkter nicht-Gaußscher Schweif in der Verteilung primordialer Störungen, auch zu dem führen könnte Bildung anderer sehr großer kosmologischer Strukturen. In ihrer jüngsten Arbeit untersuchten sie speziell die Möglichkeit, dass dieser Mechanismus den Kollaps größerer Objekte wie Halos aus dunkler Materie beeinflusst, die später Galaxien und Galaxiengruppen beherbergen werden.

„Die Bildung größerer Objekte zu einem frühen Zeitpunkt in der Geschichte des Universums könnte dazu beitragen, einige Spannungen zwischen Beobachtungen und unserem kosmologischen Standardmodell abzubauen“, erklärte Ezquiaga. „Zum Beispiel können massive Cluster wie El Gordo unter Standardannahmen wie Ausreißer aussehen, während die Quantendiffusion sie natürlich macht.“

Als Teil ihrer jüngsten Studie berechneten Ezquiaga und seine Kollegen die Halo-Massenfunktion und die Haufenhäufigkeit als Funktion der Rotverschiebung in Gegenwart starker exponentieller Schweife. Auf diese Weise konnten sie bestimmen, ob die Quantendiffusion die Anzahl großer Galaxienhaufen erhöhen und Halos aus dunkler Materie abbauen könnte.

„Da die Schwerkraft immer anziehend ist, werden Inhomogenitäten nur wachsen, wenn Überdichten Masse für ihre Umgebung anziehen und Unterdichten leerer werden“, sagte Ezquiaga. „Die Frage ist, ob Inhomogenitäten im frühen Universum groß und häufig genug sind, um zu dem Gravitationskollaps zu führen, der notwendig ist, um die beobachteten Strukturen im Kosmos zu erklären. Angesichts einer anfänglichen Verteilung von Störungen muss man nur auf ‚Play‘ drücken und das System sich entwickeln lassen gravitativ, In unserem Fall hatten wir a bisheriges Verständnis der Verteilung anfänglicher Störungen unter Einbeziehung der Quantendiffusion, daher bestand unsere Aufgabe in dieser Arbeit darin, dieses Spektrum in geeigneter Weise zu parametrisieren und die Ergebnisse auf die Anzahl massereicher Haufen als Funktion der Rotverschiebung zu analysieren.“

Das Papier der Forscher deutet darauf hin, dass Quantenfluktuationen im frühen Universum nicht nur der Entstehung von mittelgroßen Galaxien und primordialen Schwarzen Löchern zugrunde liegen könnten, sondern auch von massiven Galaxienhaufen wie den faszinierenden „El Gordo“- und Pandora-Haufen. Dies würde bedeuten, dass aktuelle Beobachtungen von Galaxienhaufen mit bestehenden Theorien erklärt werden könnten, ohne dass neue Physik in das Standardmodell eingebaut werden müsste.

„Das andere sehr aufregende Ergebnis unserer Arbeit ist, dass es eindeutige Signaturen vorhersagt, die in naher Zukunft getestet werden könnten“, sagte Ezquiaga. „Insbesondere demonstrieren wir, dass die Quantendiffusion nicht nur die frühzeitige Bildung schwerer Cluster erleichtert, sondern auch, dass die Menge an Substruktur geringer sein sollte als erwartet.“

Die gleichzeitige Verstärkung massiver kosmologischer Strukturen und die Verarmung von Unterstrukturen (dh Halos) wird von anderen theoretischen Modellen nicht vorhergesagt. Nichtsdestotrotz scheint diese potenzielle theoretische Erklärung für die Entstehung großer Galaxienhaufen mit neueren kosmologischen Beobachtungen in Einklang zu stehen und könnte möglicherweise auch andere Mängel des Standardmodells beheben.

In ihren nächsten Studien möchten Ezquiaga und seine Kollegen ein vollständigeres Bild der Strukturen im Universum und ihrer Entstehung zeichnen. Dies könnte letztendlich auch dazu beitragen, die Vorhersagen der Quantendiffusion vollständig zu untersuchen.

„Als nächstes testen wir die Vorhersagen dieses Modells vollständig anhand von Beobachtungen“, fügte Ezquiaga hinzu. „Glücklicherweise gibt es viele neue Beobachtungen, die wir verwenden können. Insbesondere die jüngsten Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops scheinen darauf hinzudeuten, dass es viel mehr massereiche Galaxien mit hoher Rotverschiebung gibt, was natürlich mit unseren Vorhersagen übereinstimmt, aber wir warten für Astronomen, um ihre Systematik vollständig zu verstehen und diese „unerwartete“ Population zu bestätigen. Die anderen Beobachtungen, die für uns interessant sein könnten, sind die Anzahl der Zwerggalaxien mit Galaxiendurchmusterungen wie dem Dark Energy Survey und Einschränkungen für Subhalos durch starke Linsen.“

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