Univerzum: felborulhat a közel százéves kozmológiai modell

Asztrofizikusok új módszert fejlesztettek ki a modern kozmológia egyik központi feltételezésének a tesztelésére, mely szerint a világegyetem a legnagyobb skálákon is azonos módon viselkedik. Amikor a kutatócsoport ezt az új módszert valós megfigyelési adatokra alkalmazta, arra utaló jeleket találtak, hogy ez az axiómaként kezelt feltételezés nem feltétlenül állja meg a helyét, ami pedig azt jelenti, hogy az univerzum értelmezéséhez a jelenlegi standard modellt meghaladó új fizikára lehet szükség.

Újabb titkait tárhatja fel az univerzum Fotó: NASA

Zavar mutatkozik a téridőben

A modern kozmológiának az az egyik alapfeltételezése, hogy ha az univerzumot kellően nagy léptékben vizsgáljuk, akkor a világegyetem egy olyan homogén és izotróp entitás, amelyben az anyag egyenletesen oszlik el a kozmikus térben és az univerzum minden irányban nagyjából egyforma képet mutat. 

Ez a hipotézis alkotja az FLRW-kozmológia fundamentumát, ami viszont a kozmológia standard modelljének, az úgynevezett lambda hideg sötét anyagnak az alapja is egyben. 

Az anyag eloszlása egyenetlen az univerzumban   Fotó: NASA/JPL-Caltech

A valódi univerzum azonban galaxisok, galaxishalmazok és hatalmas, üres intergalaktikus terek meglehetősen kusza kozmikus hálójából áll. Heinesen szerint ez a fajta komplexitás azt jelenti, hogy az FLRW-hipotézis nem mindenben alkalmazható az univerzum leírására. 

Az FLRW-kozmológia egy olyan téridőt feltételez, amelynek a terei maximálisan szimmetrikusak

– magyarázza Asta Heinesen. „ Az FLRW-téridőn azonban szükséges túllépni az olyan kozmológiai struktúrák, mint például a galaxishalmazok és az üres terek esetében” – hangsúlyozza a tanulmány társszerzője. 

                                        A galaxishalmazok a világegyetem legnagyobb gravitációsan kötött objektumai                                                     Fotó: Wikimedia Commons

A kutatók két olyan lehetséges hatásra összpontosítottak, amelyek torzíthatják az univerzum látszólagos geometriáját. 

Az egyik ilyen hatás az úgynevezett Dyer–Roeder-effektus, amely azért fordulhat elő, mert a távoli objektumokról érkező fény főként a tér üres régióin halad át, nem pedig az anyagban gazdag környezetekben. 

Erre visszavezethetően az asztrofizikusok elmulaszthatják az univerzum valós anyagsűrűségének a figyelembevételét, „ami miatt az univerzum üresebbnek tűnhet számunkra, mint amilyen valójában” – magyarázza Asta Heinesen. A második lehetőség a kozmológiai visszaható reakciónak nevezett hatás. Ebben a forgatókönyvben a nagy léptékű kozmikus struktúrák növekedése megváltoztatja a tér általánosan vett tágulását.

Apró, de mégis nagy fontosságú eltérések, amik a standard modell felülvizsgálatához vezethetnek

E lehetőségek vizsgálatára a kutatók matematikai konzisztenciateszteket végeztek, abból a célból, hogy ellenőrizzék, a megfigyelési adatok megfelelnek-e az FLRW kozmológiai modell szerinti univerzumban elvárt szabályoknak. Konkrétan a Clarkson–Bassett–Lu-teszt variánsait használták, ez a módszer a kozmikus távolságok és a tágulási sebességek méréseit hasonlítja össze. 

                                                                                         Az univerzum tágulása sem egyenletes, holott ez következik a standard modellből                                                                                           Fotó: NASA/JPL-Caltech/Spitzer Telescope

A tudóscsoport egy olyan általánosabb keretrendszert fejlesztett ki, ami akkor is működik, ha az univerzum nem követi tökéletesen az FLRW kozmológiai modell feltételezéseit. 

Bevezettek továbbá gépi tanulási technikákat, az úgynevezett szimbolikus regressziót is, mert ezek segítségével közvetlenül a megfigyelési adatokból rekonstruálható a kozmikus tágulás története. Egy előre definiált kozmológiai modell feltételezése helyett ez a módszer olyan matematikai kifejezéseket keres, amelyek a legjobban illeszkednek az empirikus adatokhoz. 

                                         Szupernóva-robbanás művészi ábrája. Az új módszer megalkotásához a szupernóvák észlelési adatait is felhasználták                                                              Fotó: AFP

A Pantheon+ elnevezésű szupernóva-katalógus megfigyeléseinek, valamint a Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) – egy nagyszabású nemzetközi projekt, amely galaxisok millióit térképezi fel az univerzumban – méréseinek felhasználásával a kutatók rekonstruálták, hogy milyen gyorsan tágult az univerzum az eddigi története során. 

Emellett a barion akusztikus oszcillációs felmérésekből származó adatokat is felhasználtak, amelyek a galaxisok eloszlásában a korai univerzum forró plazmáján áthaladó hanghullámok által hátrahagyott ősi mintázatokat követik nyomon.

A hipotetikus sötét energia és sötét anyag megoszlása az univerzumban   Fotó: TrendinTech

Az elemzések apró, de potenciálisan fontos eltéréseket tártak fel a standard kozmológia jóslataitól. Az adathalmaztól és az elemzési módszertől függően az eltérés statisztikailag körülbelül 2-4 szigma szignifikanciát ért el.

A fizikában a szigma azt méri, hogy egy eredmény mennyire valószínű; általában 5 szigmás eredményre van szükség ahhoz, hogy a tudósok új felfedezést jelentsenek be, ezért ezek az új eredmények továbbra is kísérleti jellegűnek tekinthetők.

Noha az eddig kapott eredmények nem érik el az 5 szigmás határt, ám mégis elég egyértelműen arra utalnak, hogy valamilyen váratlan tényező befolyásolhatja az univerzum geometriáját vagy tágulását.

Új megközelítésre lesz szükség az univerzum megértésében

„A fő megállapításunk az, hogy a Dyer–Roeder-effektus és a visszahatások közvetlenül mérhetők a rendelkezésre álló kozmológiai adatokból, és ezek a hatások egyértelműen megkülönböztethetők a standard kozmológiai modell egyéb változásaitól, például a fejlődő sötét energiától és a módosított gravitációs elméletektől” – mondja a koppenhágai Niels Bohr Intézet és a londoni Queen Mary Egyetem fizikusa. 

                                                                       A standard modell jóslata szerint az univerzum anyagának egyenletes az eloszlása a térben                                                                                                 Fotó: NASA/JPL-Caltech

„Ez korábban nem volt lehetséges ilyen közvetlen módon, éppen ezért tartom ezt nagy áttörésnek a munkánkban” – fűzi hozzá Asta Heinesen. A kutatók azonban azt is hangsúlyozzák, hogy az eredményeik egyelőre még csak előzetes bizonyítéknak tekinthetők. A jelenleg rendelkezésre álló kozmológiai adatok ugyanis viszonylag szűkösek, különösen az univerzum tágulási ütemének különböző korszakokban való méréseit illetően. 

A szimbolikus regressziós módszerek ezek mellett olyan bizonytalanságokat is felvetnek, amelyek további vizsgálatokat igényelnek. 

Az alapul szolgáló tanulmányban a szerzők hangsúlyozzák, hogy a jövőbeli még pontosabb megfigyeléseken alapuló felmérések elengedhetetlenek lesznek annak megállapításához, hogy az általuk kimutatott FLRW-sértések minden szempontból bizonyítottnak legyenek tekinthetők.

                                                  Sok még a bizonytalanság az ősrobbanás utáni egészen forró és még átláthatatlan univerzummal kapcsolatban                                                                        Fotó: Romolo Tavani

 „Ha ezek az FLRW-geometriától való eltérések valósak, az azt jelentené, hogy a kozmológiai feszültségek magyarázatára a standard modell szerinti megoldások többsége – így például a fejlődő vagy kölcsönhatásban lévő sötét energia, az új típusú anyag vagy energia, a módosult gravitáció és az ezekhez kapcsolódó más elképzelések az FLRW keretrendszerén belül – kizárhatók” – írják a tanulmányt jegyző kutatók. 

A következő lépés az új elméleti keretrendszer nagyobb és pontosabb adathalmazokra való alkalmazása lesz. „A következő lépés az elméleti eredmények gyakorlati adatokon alapuló alkalmazása lesz a standard modell tesztelésére, továbbá a Dyer–Roeder-effektusokra és a visszahatásokra vonatkozó korlátozások meghatározása” – mondja Asta Heinesen. 

Rejtett komplexitások alakíthatják az univerzumot   Fotó: NASA

Mivel a módszer a már meglévő csillagászati megfigyelésekkel is alkalmazható, a kutatók hamarosan egyértelműbb válaszokat kaphatnak arra vonatkozóan, hogy a világegyetem valóban a standard kozmológiai modell által feltételezett egyszerű és nagy léptékű képet követi-e, vagy pedig rejtett komplexitások alakítják át a kozmikus evolúcióról alkotott ismereteinket.

A vonatkozó tanulmányok itt olvashatók el teljes terjedelmükben, angol nyelven.

A friss kutatás:

• szupernóva-robbanások és nagy léptékű galaxisfelmérések adatainak szintézisével
• arra a következtetésre jutott, hogy a standard kozmológiai modell jóslatával ellentétben,
• az univerzum geometriája korántsem egyenletes,
• és a feltárt anomáliák értelmezéséhez új fizikára lehet szükség.