Den första mörka energin kan lösa de två gåtfullaste frågorna inom kosmologi

 

Bild wikipedia Universums storskaliga sammansättning enligt en analys av data från WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) (Explorer 80) ett NASA-rymdteleskop som hade som uppgift att mäta den kosmiska bakgrundsstrålning som har sitt ursprung av Big Bang.

En gåta är "Hubbles lag", som hänvisar till en obalans i mätningsresultat av hur snabbt universum expanderar. Den andra handlar om observationer av många tidiga, ljusstarka galaxer som existerade vid en tidpunkt då det  inte borde funnits galaxer och som visar sig äldre än universum.

Nu har MIT-teamet (Massachusetts Institute of Technology) funnit att båda gåtorna skulle kunna lösas om det tidiga universum innehöll mörk energi. En okänd form av energi som fysiker misstänker får universum att expandera och ge en fortsatt ökning av denna än idag. Tidig mörk energi är ett liknande, hypotetiskt fenomen som bara kan ha gjort ett kort framträdande och påverkat universums expansion i dess första ögonblick innan det försvann helt. Inte att förväxla med mörk energi som senare dök upp (kanske omvandlades den tidiga mörka energin till den som sedan finns, om nu denna energi  existerat eller existerar)

Vissa fysiker har misstänkt att tidig mörk energi kan vara nyckeln till att lösa Hubbles lag eftersom denna mystiska kraft skulle kunna påskynda universums tidiga expansion och förklara de två nämnda gåtorna ovan.

Forskarna har nu funnit att tidig mörk energi också kan förklara det förbryllande antalet ljusstarka galaxer som astronomer har observerat i det unga universum. I sin nya studie, som publicerats i dagarna i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society har forskarna genom datormodellering visat hur galaxer bildades under universums första hundra miljoner år. Och hur de inkorporerade en mörk energikomponent bara under den tidigaste tidremsan, de fann  att antalet galaxer som uppstod ur den ursprungliga miljön blommade ut och passa in i astronomernas observationer.

"Du har de här öppna pusslen, beskriver Rohan Naidu, postdoktor vid MIT:s Kavliinstitut för astrofysik och rymdforskning och en av studiens författare. "Vi finner att tidig mörk energi faktiskt är en mycket elegant lösning på två av  gåtorna inom kosmologi som är mest intressanta."

Baserat på vanliga kosmologiska modeller och galaxbildningsmodeller borde det tagit tid för universum att bilda de första galaxerna. Det borde tagit miljarder år för urgasen att bilda stjärnor till ett antal galaxer lika stora och ljusstarka som Vintergatan. Men likväl fanns de bara några 100tal miljoner efter BigBang.

2023 gjorde NASA:s James Webb Space Telescope (JWST) en häpnadsväckande observation. Teleskopet som har förmågan att blicka längre tillbaka i tiden än något annat observatorium kan upptäckte då ett överraskande antal ljusstarka galaxer lika stora som Vintergatan under de första 500 miljoner åren efter BigBang då universum bara var 3 procent av sin nuvarande ålder.

För fysiker innebär observationerna att det antingen är något fundamentalt fel med fysiken som ligger till grund för kosmologin eller att det saknas en ingrediens i det tidiga universum som forskarna inte har tagit hänsyn till. MIT-teamet undersökte möjligheten av det senare och kom fram till att den saknade ingrediensen kan vara tidig mörk energi.

Fysiker har föreslagit att tidig mörk energi är en sorts antigravitationskraft som aktiveras vid universums första tid. Denna kraft skulle motverka gravitationens dragning inåt och påskynda universums tidiga expansion, på ett sätt som skulle lösa obalansen i mätningarna. Tidig mörk energi anses därför vara den mest sannolika lösningen på Hubblespänningen.

MIT-teamet undersökte om tidig mörk energi också kan vara nyckeln till att förklara den oväntade populationen av stora, ljusstarka galaxer som upptäckts av JWST i det tidiga universum. I studien har fysikerna undersökt hur tidig mörk energi kan påverka den tidiga strukturen i universum som gav upphov till de första galaxerna. De fokuserade på bildandet av halos av mörk materia – områden i rymden där gravitationen råkar vara starkare och där materia börjar ackumuleras.

"Vi tror att halos av mörk materia är universums osynliga skelett", förklarar Shen. – Strukturer av mörk materia bildas först och sedan bildas galaxer inuti dessa strukturer. Så vi förväntar oss att antalet ljusstarka galaxer borde vara proportionellt mot antalet stora halos av mörk materia.

Fysiker har fastställt att det finns minst sex huvudsakliga kosmologiska parametrar, varav en är Hubblekonstanten - en term som beskriver universums expansionshastighet. Andra parametrar beskriver densitetsfluktuationer i den ursprungliga soppan, omedelbart efter Big Bang ur vilken halos av mörk materia så småningom bildades.

MIT-teamet resonerade att om tidig mörk energi påverkar universums tidiga expansionshastighet på ett sätt som löser upp Hubblespänningen kan det påverka balansen mellan de andra kosmologiska parametrarna på ett sätt som kan öka antalet ljusstarka galaxer som dyker upp i tidigt skede. För att testa sin teori inkorporerade de en modell av tidig mörk energi (samma som råkar lösa upp Hubblespänningen) i ett empiriskt ramverk för galaxbildning för att se hur de tidigaste strukturerna av mörk materia utvecklas och ger upphov till de första galaxerna.

– Vad vi visar är att skelettstrukturen i det tidiga universum förändras på ett subtilt sätt där amplituden av fluktuationer ökar och man får stora halos och ljusstarkare galaxer som är på plats vid tidigare tidpunkter än man tidigare ansett,  beskriver Naidu. "Det betyder att saker och ting var rikligare och mer samlade i det tidiga universum."

– A priori hade jag inte förväntat mig att förekomsten av JWST:s tidiga ljusstarka galaxer skulle ha något att göra med tidig mörk energi. Men observationen visar kosmologiska parametrar i en riktning som ökar förekomsten av tidiga galaxer är intressant, beskriver Marc Kamionkowski, professor i teoretisk fysik vid Johns Hopkins University. Jag tror att mer arbete kommer att behöva göras för att etablera en koppling mellan tidiga galaxer och tidig mörk energi men oavsett hur det går är det en intressant och förhoppningsvis i slutändan fruktbar sak att testa, beskriver Kamionkowski, vilken dock ej själv var med i studien.

"Vi demonstrerade potentialen hos tidig mörk energi som en enhetlig lösning på de två stora frågorna som kosmologin står inför. Detta kan vara ett bevis för dess existens om resultaten från JWST konsolideras ytterligare, avslutar Vogelsberger. I framtiden kan vi införliva detta i stora kosmologiska simuleringar för att se vilka detaljerade förutsägelser vi får.

Studiens medförfattare inkluderade huvudförfattaren och Kavli-postdoktorn Xuejian (Jacob) Shen, och MIT-professorn i fysik Mark Vogelsberger, tillsammans med Michael Boylan-Kolchin vid University of Texas i Austin och Sandro Tacchella vid University of Cambridge.

Om det finns mörk materia och mörk energi måste det enligt mig bildats vid BigBang likt vanlig energi och vanlig materia. Men jag anser att all form av energi och materia är av samma slag men olika former vi ännu ej förstår. Men för att förklara varför det anses finnas två slags energi och materia måste vi börja att på allvar tänka utifrån strängteorins fysik. Jag tror att strängteorin är svaret på hur allt hänger samman.