I en ny studie som publiceras i Physical Review Letters analyseras den mest kompletta uppsättningen data om galaxkluster för att testa ΛCDM-modellen, vilket avslöjar avvikelser i bildandet av kosmiska strukturer i universum och antyder en ny fysik.
ΛCDM-modellen är kosmologins standardmodell som beskriver universums utveckling, expansion och struktur. Den omfattar kall mörk materia (CDM), normal materia och strålning samt den kosmologiska konstanten (Λ), som står för mörk energi.
Modellen har varit framgångsrik i att förklara flera kosmologiska observationer, bland annat universums storskaliga struktur, universums accelererande expansion och den kosmiska bakgrundsstrålningen (CMB), som är efterglöden från Big Bang.
Trots detta misslyckas ΛCDM med att förklara fenomen som kosmisk inflation, mörk energi och mörk materia. Nya observationer, som data från DESI (Dark Energy Survey Instrument), har visat på potentiella anomalier i ΛCDM.
Forskargruppens mål var att analysera om dessa avvikelser kan vara kopplade till varandra och peka på en specifik ny fysikalisk modell.
Teamet bestod av Dr. Shi-Fan Chen, från Institute for Advanced Study, New Jersey; Prof. Mikhail Ivanov, från Massachusetts Institute of Technology; Dr. Oliver Philcox, från Columbia University; och Lukas Wenzl, en doktorand vid Cornell.
Dr Chen säger om motivationen bakom deras arbete: ”Att kunna förutsäga vad som helst om universum är häftigt, men det som är särskilt häftigt är att vi har många olika observationer från många undersökningar vars mätningar vi kan modellera med hjälp av en konsekvent effektiv teori.”
Att koppla samman de kosmiska prickarna
Som nämnts misslyckas ΛCDM-modellen med att redogöra för vissa fenomen baserade på de senaste observationerna.
Dessa inkluderar oenigheten mellan direkta och indirekta mätningar av universums expansionshastighet (Hubble-spänningen), oenigheten mellan direkta och indirekta mätningar av materiekluster, dvs. strukturtillväxt (σ8-spänningen ), och nya DESI-data som tyder på möjliga bevis för dynamisk mörk energi.
Forskargruppens tillvägagångssätt är nytt eftersom de vill se om samma underliggande fysik kan förklara dessa anomalier. För att testa hypotesen kombinerade forskarna mätningar från flera källor för att skapa en omfattande datauppsättning.
Detta inkluderade BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) DR12-datasetet med norra och södra galaxkapslarna, LOWZ- (galaxer med låg rödförskjutning) och CMASS- (galaxer med hög massa) prover som täcker olika rödförskjutningsintervall och korskorrelation med Planck CMB-gravitationslinsningskartor.
Dessa data analyserades i två miljöer, inom standardmodellen ΛCDM och inom en dynamisk mörk energimodell för att testa DESI:s resultat.
Dr Philcox förklarade hur de lyckades upprätthålla en hög noggrannhet i de valda data. ”Vi försökte verkligen välja konsekventa definitioner för galaxprover och kastade ut delar av tillgängliga data med oavsiktliga misstag i urvalskriterierna, på bekostnad av våra statistiska begränsningar även om tidigare analyser har använt dessa data.”
”Dessutom utförde vi många tester av korskorrelationerna med CMB-linser som en del av tidigare artiklar för att se till att det inte fanns någon uppenbar systematik.”
Ett universum som växer för långsamt?
ΛCDM-analysen avslöjade en något lägre tillväxttakt för kosmiska strukturer än vad som förutspåtts, vilket visar en betydande oenighet (4,5σ spänning) med Plancks resultat.
Dessutom bekräftades befintliga värden för materietäthet, Hubblekonstanten och strukturtillväxt.
I analysen av dynamisk mörk energi fann teamet inga starka bevis för dynamisk mörk energi, vilket tyder på att mörk energi beter sig som en kosmologisk konstant. Den undertryckning av strukturtillväxt som observerats liknar den som förutses av ΛCDM-analysen.
Slutligen stämmer värdet på Hubblekonstanten överens med Planck-data men inte med direkta, lokala mätningar.
Prof. Ivanov förklarar: ”Vi fann att strukturbildningen i det sena universum, där effekterna av mörk energi är mest uttalade, åtminstone enligt mätningar av galaxer i BOSS, verkar vara kraftigt undertryckt jämfört med förväntningarna från det tidiga universum och CMB.”
”Detta gäller även när vi tillåter att expansionshistorien avviker från den kosmologiska standardkonstanten i form av mörk energi.”
Ny fysik eller fel i data
Enligt teamet är oddsen för att den undertryckta strukturtillväxten är en slump 1 på 300.000, vilket starkt tyder på att något oförklarligt händer i form av okänd systematik i data eller ny fysik.
Resultaten ger också de starkaste bevisen hittills för σ8-spänningen och visar att dynamisk mörk energi inte kan lösa den.
Wenzl förklarade: ”Förutom de nya observationstekniker och systematiska tester som nämnts, om denna signal överlever, kommer det att bli intressant att se vilka typer av ny fysik som kan hjälpa till att lösa spänningen med CMB.”
”Det skulle till exempel vara väldigt coolt om icke-standardiserade kandidater för mörk materia, som axionisk mörk materia eller mörk materia som interagerar med sig själv eller baryoner på något sätt, vilket skulle förändra strukturbildningen, kan förklara signalen.”
Studiens resultat utmanar vår förståelse av den kosmiska strukturbildningen och, ännu viktigare, en av de mest grundläggande modellerna inom kosmologin.
Data från kommande galaxundersökningar kommer att ge klarhet i dessa avvikelser, och om vi behöver en grundläggande förändring i vår förståelse av storskaliga strukturer i universum.
För mer information: Shi-Fan Chen et al, Suppression without Thawing: Constraining Structure Formation and Dark Energy with Galaxy Clustering, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.231001. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.13388
