Стандартная космологическая модель, известная как Lambda CDM (от Lambda Cold Dark Matter), представляет собой наиболее точное на сегодняшний день теоретическое описание Вселенной, согласующееся с астрофизическими наблюдениями. Эта модель базируется на общей теории относительности и включает четыре основных компонента: обычную (барионную) материю, холодную темную материю, излучение и темную энергию, обозначаемую греческой буквой Λ (лямбда).
Ученые давно пытаются понять, как взаимодействие этих компонентов привело к образованию наблюдаемой крупномасштабной структуры космоса — галактик, их скоплений и сверхскоплений. Согласно новому исследованию, решающую роль в этом процессе могли сыграть квантовые флуктуации, существовавшие в самой ранней Вселенной.
Природа квантовых флуктуаций: выходя за рамки гауссовского распределения
Квантовые флуктуации — это спонтанные и непредсказуемые изменения энергии или других свойств физических систем на субатомном уровне, возникающие даже в вакууме. Эти микроскопические колебания, обусловленные принципами квантовой механики, могут иметь макроскопические последствия для эволюции космоса.
3D-анимация, иллюстрирующая квантовые флуктуации. Масштаб модели составляет 2.4 × 2.4 × 3.6 кубических метра — объем, достаточный для размещения нескольких протонов.
Традиционно в рамках модели Lambda CDM считается, что первичные возмущения плотности в молодой Вселенной подчинялись гауссову (нормальному) распределению, которое на графике имеет форму симметричной колоколообразной кривой. Однако в статье, опубликованной в журнале «Physical Review Letters», международная группа исследователей из Института Нильса Бора, Автономного университета Мадрида и Университета CNRS в Париже выдвинула гипотезу о существовании так называемых негауссовых «экспоненциальных хвостов». Это означает, что в распределении флуктуаций крайние, наиболее сильные отклонения от средней плотности убывают не по гауссову, а по экспоненциальному закону, что может кардинально влиять на механизм образования космических структур.
Обратите внимание: Нанороботы, вдохновленные человеком … будет создана сперма, которая исцелит наши тела.
Экспоненциальные хвосты: от черных дыр к галактикам
Ранее подобные экспоненциальные хвосты в распределении флуктуаций уже рассматривались учеными в контексте образования первичных черных дыр в первые мгновения после Большого взрыва. Новое исследование предполагает, что этот же механизм может быть ключевым для объяснения формирования всех крупномасштабных структур. Более того, он предлагает решения для некоторых наблюдательных проблем, с которыми сталкивается классическая модель Lambda CDM, не требуя ее радикального пересмотра. Как отмечает один из авторов работы, Хосе Мария Эскиага:
«Вопрос о происхождении космических структур — один из фундаментальных в космологии. С 1980-х годов мы понимаем удивительную связь между микро- и макромиром: квантовые флуктуации, возникшие в эпоху космической инфляции, были растянуты до гигантских масштабов и стали семенами, из которых выросли галактики и их скопления».
Компьютерная симуляция крупномасштабной структуры Вселенной. На врезке показан масштаб скопления галактик с выделенным мегагало (оранжевое свечение).
От флуктуаций к коллапсу: формирование гало темной материи
В своем исследовании ученые детально изучили, как предложенный механизм с негауссовыми флуктуациями может влиять на гравитационный коллапс и формирование самых массивных объектов — гало темной материи. Именно внутри этих невидимых сгустков темной материи впоследствии концентрируется обычное вещество, образуя видимые галактики.
Проведя расчеты с учетом экспоненциальных хвостов, команда пришла к выводу, что первичная квантовая диффузия может существенно увеличить количество наблюдаемых крупных скоплений галактик, одновременно влияя на распределение и свойства самих гало темной материи.
Следующим критически важным шагом является проверка этих теоретических предсказаний с помощью наблюдательных данных. Первые результаты, полученные с космического телескопа «Джеймс Уэбб», уже демонстрируют определенное согласие с новой моделью. Однако для окончательного подтверждения потребуется дальнейший анализ данных и независимые наблюдения, которые позволят астрономам классифицировать и понять природу этих неожиданных популяций космических объектов.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.