Die größte jemals durchgeführte Computersimulation des Universums verschärft das kosmologische Dilemma
Wir sehen heute unzählige Sterne und Galaxien im Universum funkeln, aber wie viel Materie gibt es tatsächlich? Die Frage ist recht einfach, aber die Antwort scheint überraschend.
Dieses Dilemma besteht vor allem deshalb, weil aktuelle kosmologische Beobachtungen schlicht nicht übereinstimmend darüber sind, wie die Materie im aktuellen Universum verteilt ist.
Eine neue Computersimulation, die verfolgt, wie sich alle Elemente des Universums – gewöhnliche Materie, dunkle Materie und dunkle Energie – gemäß den Gesetzen der Physik entwickeln, wäre nützlich. Die atemberaubenden Bilder zeigen die im Bild sichtbaren Galaxien und Galaxienhaufen Universumwird von dem gespeist, was man nennt Das kosmische Netz. Dieses Netzwerk ist Das größte Bauwerk im Universumaufgebaut aus Filamenten aus gewöhnlicher Materie oder baryonischer Materie, und Dunkle Materie.
Im Gegensatz zu früheren Simulationen, die sich nur mit dunkler Materie befassten, verfolgt die neue Arbeit, die von einem Projekt namens FLAMINGO (kurz für Full-Scale Large-Scale Structure Simulation with All-Sky Mapping to Interpret Next Generation Observations) durchgeführt wird, auch reguläre Materie.
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„Obwohl Dunkle Materie die Schwerkraft dominiert, kann der Beitrag gewöhnlicher Materie nicht länger vernachlässigt werden“, sagte Jupp Shaye, Professor an der Universität Leiden in den Niederlanden und Mitautor der drei neuen Studien zum Flamingo-Projekt, in einem Artikel. Stellungnahme.
Was die Frage betrifft, wie viel Materie das Universum tatsächlich enthält, sagen Astronomen, dass Computersimulationen wie diese nicht nur ein kosmischer Augenschmaus sind, sondern auch wichtige Untersuchungen, um die Ursache einer großen Diskrepanz in der Kosmologie namens „S8-Spannung“ zu ermitteln. Dies ist die anhaltende Debatte darüber, wie Materie im Universum verteilt ist.
Was ist S8-Spannung?
Bei der Erforschung des Universums arbeiten Astronomen manchmal mit dem sogenannten S8-Parameter. Dieser Parameter beschreibt im Wesentlichen, wie „klumpig“ oder dicht gepackt die gesamte Materie in unserem Universum ist, und kann mithilfe sogenannter Low-Redshift-Beobachtungen genau gemessen werden. Es wird von Astronomen verwendet Rotverschiebung Um zu messen, wie weit ein Objekt entfernt ist Landund Studien mit geringer Rotverschiebung wie „schwach Gravitationslinse „Umfragen“ könnten Aufschluss über Prozesse geben, die sich im fernen und damit älteren Universum abspielen.
Der Wert von S8 lässt sich aber auch über eine Funktion vorhersagen Standardform Kosmologie. Wissenschaftler können das Modell im Wesentlichen an die bekannten Eigenschaften des Objekts anpassen Kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB), das ist die Reststrahlung des Urknalls, und berechnen Sie daraus die Verklumpung der Materie.
Also, hier ist die Sache.
CMB-Experimente ergaben einen höheren S8-Wert als Untersuchungen mit schwachem Gravitationslinseneffekt. Kosmologen wissen nicht warum. Sie nennen diesen Widerspruch die S8-Spannung.
Tatsächlich ist die S8-Spannung eine sich zusammenbrauende Krise in der Kosmologie, die sich kaum von ihrem berühmten Cousin unterscheidet: Hubble-SpannungDies bezieht sich auf die Widersprüche, mit denen Wissenschaftler bei der Bestimmung der Expansionsrate des Universums konfrontiert sind.
Der Grund dafür, dass die neue Simulation des Teams keine Antwort auf das S8-Jitter-Problem liefert, ist eine große Sache, denn im Gegensatz zu früheren Simulationen, die nur die Auswirkungen der Dunklen Materie auf das sich entwickelnde Universum berücksichtigten, berücksichtigt die neueste Arbeit die Auswirkungen von auch gewöhnliche Angelegenheit. Im Gegensatz zur Dunklen Materie wird sie von gewöhnlicher Materie beherrscht Schwere Ebenso wie der Druck, den Gas im gesamten Universum erzeugt. Zum Beispiel angetrieben durch galaktische Winde Supernova Eruptionen und aktive Anhäufung Supermassereiche Schwarze Löcher Dabei handelt es sich um entscheidende Prozesse, die gewöhnliche Materie umverteilen, indem sie ihre Teilchen in Galaxien schleudern Raum.
Allerdings reichte selbst die Untersuchung der neuen Arbeit der gewöhnlichen Materie sowie einiger der extremeren galaktischen Winde nicht aus, um die im gegenwärtigen Universum beobachtete schwache Verklumpung der Materie zu erklären.
„Ich bin hier ratlos“, sagte Shay gegenüber Space.com. „Eine spannende Möglichkeit besteht darin, dass die Spannung auf Fehler im Standardmodell der Kosmologie oder sogar im Standardmodell der Physik hinweist.“
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Merkwürdige Physik oder ein fehlerhaftes Modell?
Woher kommt also diese S8-Spannung?
„Wir wissen nicht, was das so spannend macht“, sagte Ian McCarthy, theoretischer Astrophysiker an der Liverpool John Morris University im Vereinigten Königreich und Co-Autor von drei neuen Studien, gegenüber Space.com.
Computersimulationen, wie sie FLAMINGO durchführt, können uns jedoch einen Schritt näher bringen. Es könnte helfen, den Grund für die Schwankungen von S8 aufzudecken, da eine hypothetische große Karte des Universums dabei helfen könnte, mögliche Fehler in unseren aktuellen Messungen zu identifizieren. Beispielsweise schließen Astronomen langsam banalere Erklärungen für das Problem aus, etwa die Tatsache, dass es auf die allgemeine Unsicherheit bei der Beobachtung großräumiger Strukturen zurückzuführen sein könnte oder mit einem Problem im CMB selbst zusammenhängt.
Tatsächlich geht das Team davon aus, dass die Auswirkungen natürlicher Materie viel stärker sein könnten als in aktuellen Simulationen. Allerdings erscheint auch dies unwahrscheinlich, da die Simulationen gut mit den beobachteten Eigenschaften von Galaxien und Galaxienhaufen übereinstimmen.
„Alle diese Möglichkeiten sind sehr aufregend und haben wichtige Auswirkungen auf die Grundlagenphysik und Kosmologie“, sagte McCarthy. Aber die interessanteste Möglichkeit ist, dass „das Standardmodell in irgendeiner Weise falsch ist“.
Beispielsweise könnte dunkle Materie seltsame, selbstwechselwirkende Eigenschaften haben, die im Standardmodell nicht berücksichtigt werden, und der S8-Jitter könnte auf einen Zusammenbruch unserer Gravitationstheorie in größeren Maßstäben hinweisen, sagte McCarthy.
Doch während die neuesten Simulationen die Auswirkungen natürlicher Materie und subatomarer Teilchen verfolgen, die als … bekannt sind. Neutrinos – Beides erwies sich als wichtig für genaue Vorhersagen darüber, wie sich Galaxien im Laufe der Zeit entwickelt haben – aber sie lösten das S8-Spannungsproblem nicht.
Hier ist das Überraschende: Bei niedrigen Rotverschiebungen ist das Universum deutlich weniger klumpig als vom Standardmodell vorhergesagt. Sondern Messungen, die die Strukturen des Universums erforschen zwischen Die CMB- und niedrigen Rotverschiebungsmessungen „stimmen voll und ganz mit den Standardmodellvorhersagen überein“, sagte McCarthy. „Das Universum scheint sich während eines Großteils der kosmischen Geschichte wie erwartet verhalten zu haben, aber das änderte sich später in der kosmischen Geschichte.“
Vielleicht liegt der Schlüssel zur Lösung der S8-Spannung in der Antwort darauf, was genau diese Änderung ausgelöst hat.
Diese Forschung ist beschrieben In drei Blätter Veröffentlicht in den Monthly Notices der Royal Astronomical Society.
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