Eine neue Studie in veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchung analysiert den vollständigsten Satz von Galaxienhaufendaten, um das ΛCDM-Modell zu testen, und deckt Diskrepanzen bei der Bildung kosmischer Strukturen im Universum auf, was auf eine neue Physik hindeutet.
Das ΛCDM-Modell ist das Standardmodell der Kosmologie, das die Entwicklung, Expansion und Struktur des Universums beschreibt. Es umfasst kalte dunkle Materie (CDM), normale Materie und Strahlung sowie die kosmologische Konstante (Λ), die die dunkle Energie erklärt.
Das Modell konnte mehrere kosmologische Beobachtungen erfolgreich erklären, darunter die großräumige Struktur des Universums, die beschleunigte Expansion des Universums und die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB), die das Nachglühen des Urknalls darstellt.
Trotzdem berücksichtigt ΛCDM Phänomene wie kosmische Inflation, dunkle Energie und dunkle Materie nicht. Jüngste Beobachtungen, wie Daten von DESI (Dark Energy Survey Instrument), deuten auf mögliche Anomalien im ΛCDM hin.
Das Forschungsteam wollte analysieren, ob diese Anomalien möglicherweise miteinander verbunden sind und auf ein spezifisches neues physikalisches Modell hinweisen könnten.
Das Team bestand aus Dr. Shi-Fan Chen vom Institute for Advanced Study, New Jersey; Prof. Mikhail Ivanov vom Massachusetts Institute of Technology; Dr. Oliver Philcox von der Columbia University; und Lukas Wenzl, ein Doktorand an der Cornell.
Über die Motivation hinter ihrer Arbeit sagte Dr. Chen: „Es ist cool, irgendetwas über das Universum vorhersagen zu können, aber was besonders toll ist, ist, dass wir viele verschiedene Observablen aus vielen Umfragen haben, deren Messungen wir mithilfe einer konsistenten effektiven Theorie modellieren können.“ „
Die kosmischen Punkte verbinden
Wie bereits erwähnt, berücksichtigt das ΛCDM-Modell bestimmte Phänomene aufgrund neuerer Beobachtungen nicht.
Dazu gehören die Unstimmigkeiten zwischen direkten und indirekten Messungen der Expansionsrate des Universums (die Hubble-Spannung), die Unstimmigkeiten zwischen den direkten und indirekten Messungen der Materieanhäufung, d Beweise für dynamische dunkle Energie.
Der Ansatz des Forschungsteams ist neu, denn es möchte herausfinden, ob die gleiche zugrunde liegende Physik diese Anomalien erklären könnte. Um die Hypothese zu testen, kombinierten die Forscher Messungen aus mehreren Quellen, um einen umfassenden Datensatz zu erstellen.
Dazu gehörte der BOSS-DR12-Datensatz (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) mit nördlichen und südlichen galaktischen Kappen, LOWZ-Proben (Galaxien mit niedriger Rotverschiebung) und CMASS-Proben (Galaxien mit hoher Masse), die verschiedene Rotverschiebungsbereiche abdecken, sowie eine Kreuzkorrelation mit Planck-CMB-Gravitationslinsenkarten .
Diese Daten wurden in zwei Umgebungen analysiert, innerhalb des Standard-ΛCDM-Modells und innerhalb eines dynamischen Dunkle-Energie-Modells, um die Ergebnisse von DESI zu testen.
Dr. Philcox erklärte, wie sie eine hohe Genauigkeit der ausgewählten Daten gewährleisteten. „Wir haben wirklich versucht, konsistente Definitionen für Galaxienproben auszuwählen und dabei Teile der verfügbaren Daten mit versehentlichen Fehlern in den Auswahlkriterien verworfen, auf Kosten unserer statistischen Einschränkungen, selbst wenn frühere Analysen diese Daten verwendet haben.“
„Darüber hinaus haben wir im Rahmen früherer Arbeiten viele Tests zu den Kreuzkorrelationen mit der CMB-Linse durchgeführt, um sicherzustellen, dass keine offensichtlichen Systematiken vorhanden waren.“
Ein Universum, das zu langsam wächst?
Die ΛCDM-Analyse ergab eine etwas geringere Wachstumsrate kosmischer Strukturen als vorhergesagt, was eine deutliche Abweichung (4,5σ-Spannung) von Plancks Ergebnissen zeigt.
Darüber hinaus bestätigte es bestehende Werte für die Materiedichte, die Hubble-Konstante und das Strukturwachstum.
In der Analyse der dynamischen dunklen Energie fand das Team keine eindeutigen Beweise für dynamische dunkle Energie, was darauf hindeutet, dass sich dunkle Energie wie eine kosmologische Konstante verhält. Die beobachtete Unterdrückung des Strukturwachstums ähnelt der durch die ΛCDM-Analyse vorhergesagten.
Schließlich stimmt der Wert der Hubble-Konstante mit den Planck-Daten überein, widerspricht jedoch den direkten, lokalen Messungen.
Prof. Ivanov erklärte: „Wir haben herausgefunden, dass die Strukturbildung im späten Universum, wo die Auswirkungen der Dunklen Energie am stärksten ausgeprägt sind, zumindest gemessen an den Galaxien in der BOSS-Durchmusterung, im Vergleich zu den Erwartungen aus dem frühen Universum und dem CMB erheblich unterdrückt zu sein scheint.“ .“
„Dies gilt selbst dann, wenn wir zulassen, dass die Expansionsgeschichte von der standardmäßigen kosmologischen konstanten Form der Dunklen Energie abweicht.“
Neue Physik oder Fehler in den Daten
Nach Angaben des Teams liegt die Wahrscheinlichkeit, dass das unterdrückte Strukturwachstum zufällig ist, bei 1 zu 300.000, was stark darauf hindeutet, dass etwas Unerklärliches in Form einer unbekannten Systematik in den Daten oder neuer Physik geschieht.
Die Ergebnisse liefern auch den bisher stärksten Beweis für die σ8-Spannung und zeigen, dass dynamische dunkle Energie sie nicht lösen kann.
Wenzl erklärte: „Wenn dieses Signal überlebt, wird es neben den erwähnten neuen Beobachtungstechniken und systematischen Tests interessant sein zu sehen, welche Arten neuer Physik dazu beitragen können, die Spannungen mit dem CMB zu lösen.“
„Zum Beispiel wäre es sehr cool, wenn nicht standardmäßige Kandidaten für dunkle Materie wie axionische dunkle Materie oder dunkle Materie, die auf irgendeine Weise mit sich selbst oder Baryonen interagiert und dadurch die Strukturbildung verändern würde, das Signal erklären könnten.“
Die Ergebnisse der Studie stellen unser Verständnis der kosmischen Strukturbildung und, was noch wichtiger ist, eines der grundlegendsten Modelle der Kosmologie in Frage.
Daten aus bevorstehenden Galaxienuntersuchungen werden Klarheit über diese Diskrepanzen liefern und zeigen, ob wir unser Verständnis der großräumigen Strukturen im Universum grundlegend ändern müssen.
Weitere Informationen:
Shi-Fan Chen et al., Unterdrückung ohne Auftauen: Einschränkung der Strukturbildung und Dunkler Energie mit Galaxienhaufen, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.231001. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.13388
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