Sterrenstelselclusters kunnen de sleutel zijn tot het testen van concurrerende theorieën over donkere materie en donkere energie

Wetenschappers stellen een aangepast kosmologisch model voor dat het bestaan ​​van donkere materie en donkere energie uitdaagt.

Ons huidige begrip van de evolutie en structuur van het universum is gebaseerd op de aanname dat zwaartekracht wordt beschreven in de algemene relativiteitstheorie van Einstein en dat slechts ongeveer 5% van de massa in het hele universum uit gewone materie bestaat.

Aangenomen wordt dat de resterende 95% bestaat uit donkere materie en donkere energie. Donkere materie, die een derde van de totale massa uitmaakt, is verantwoordelijk voor de vorming en groei van sterrenstelsels, terwijl men denkt dat donkere energie, die goed is voor meer dan tweederde van de massa, de versnelde uitdijing van het universum aandrijft. .

Dit begrip valt onder een model dat bekend staat als ΛCDM, waarbij CDM staat voor “koude donkere materie” en het veelgebruikte symbool is voor donkere energie. Daarin zijn donkere materiedeeltjes zwaar en langzaam bewegend, net zoals de deeltjes waaruit koud gas bestaat.

Hoewel ΛCDM een uitstekende beschrijving geeft van astronomische waarnemingen, heeft het nog steeds enkele conceptuele problemen. Hoewel er bijvoorbeeld veel meer donkere materie moet zijn dan normale materie in het universum, is deze mysterieuze entiteit nooit rechtstreeks waargenomen, en dus weten wetenschappers nog steeds niet waar het van gemaakt is en of het überhaupt bestaat. Donkere energie is ongrijpbaarder gebleken en er is nog geen plausibele hypothese over de vorming en aard ervan.

gewijzigde theorie

Deze problemen brachten onderzoekers ertoe om te zoeken naar alternatieven voor ΛCDM waarvoor deze niet-detecteerbare exotische entiteiten misschien niet nodig zijn. Een van de meest populaire hiervan is de kosmologische theorie die is gebaseerd op twee aannames, waarvan de eerste beweert dat de zwaartekracht inderdaad moet worden beschreven door een wijziging van de theorie van Einstein die de introductie van donkere energie niet vereist om de versnellende uitdijing van het universum te verklaren. . De tweede is de bewering dat donkere materie niet bestaat uit onbekende zware deeltjes, maar uit kleine lichte deeltjes die neutrino’s worden genoemd.

“Dit model is vooral interessant omdat het een bijna identieke groei- en uitbreidingsgeschiedenis voor ΛCDM oplevert, in tegenstelling tot andere alternatieve modellen”, zei Jounghun Lee van de Seoul National University in een e-mail. “Met andere woorden, dit model voldoet aan alle beperkingen die worden gesteld door standaarddiagnostiek, zoals het temperatuurenergiespectrum van de kosmische microgolfachtergrondstraling.”

Het feit dat dit model zo’n nauwkeurige beschrijving van de observatiegegevens geeft, heeft Lee en collega’s uit Italië en Korea ertoe aangezet een gedetailleerde analyse van de voorspellingen van het model uit te voeren, wat kan helpen bepalen of ΛCDM of de nieuwe benadering die door de auteurs van het onderzoek is overwogen, correct is.

In hun studie gepubliceerd in Astrofysisch tijdschriftZe analyseerden beide kosmologische modellen door middel van theoretische en numerieke berekeningen om de oriëntatie te bepalen van clusters van sterrenstelsels – die een elliptische vorm hebben – binnen gigantische clusters van sterrenstelsels, de grootste door zwaartekracht gebonden objecten in het universum. Deze analyse kan helpen bepalen welk kosmologisch model de echte wereld het beste beschrijft, omdat de resultaten van het berekenen van de richting van clusters afhangen van zowel de theorie die de zwaartekracht beschrijft als de deeltjes waaruit donkere materie bestaat.

“In ons werk hebben we effectieve diagnostiek bedacht op basis van vormuitlijningen van clusters van sterrenstelsels, waarmee dit model kan worden onderscheiden van dat van ΛCDM”, legt Lee uit.

Toekomstige experimenten zullen bewijs leveren

Wat ze vonden was zeer verrassend. Het blijkt dat, ondanks het feit dat voor veel waargenomen en gemeten grootheden, beide theorieën bijna identieke voorspellingen geven. Wat de oriëntatie van de clusters binnen een supercluster betreft, lopen de voorspellingen echter uiteen – de oriëntatie van de individuele clusters is vaak heel verschillend, waardoor het in principe mogelijk is om de juiste beschrijving te kennen door middel van astronomische waarneming.

Om de oriëntatie van clusters van sterrenstelsels daadwerkelijk te bestuderen, is het noodzakelijk om de observatie-instrumenten te verbeteren, aangezien het huidige ontwikkelingsniveau wetenschappers niet toestaat om deze objecten met de vereiste precisie te onderzoeken om bewijs te kunnen leveren voor een van deze theorieën.

“Om onze methode in de praktijk te gebruiken en het model dat we hebben overwogen echt te testen, zou het nodig zijn om een ​​manier te bedenken om de 3D-vormen van clusters van sterrenstelsels in de echte ruimte te bepalen op basis van waarnemingen”, concludeerde Lee. “Dit is de grootste moeilijkheid.”

Hopelijk kunnen met de komst van telescopen van de volgende generatie de theorieën die in deze studie worden onderzocht, op de proef worden gesteld, wat mogelijk kan leiden tot een doorbraak in ons begrip van de mysteries rond donkere materie en donkere energie. Dit zou een enorme sprong voorwaarts zijn in ons begrip van hoe het universum is georganiseerd.

Referentie: Jounghun Lee, Suho Ryu en Marco Baldi, Ontwarren van gemodificeerde zwaartekracht en massieve neutrino’s langs de innerlijke morfologie van massieve halo’sHet astrofysische tijdschrift (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/acabbc

Credit hoofdafbeelding: NASA