Wydawałoby się, że po dekadach badań wszechświat nie ma już przed nami większych tajemnic, przynajmniej w kwestii jego fundamentalnej struktury. Jednak najnowsze dane z instrumentu DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) rzucają wyzwanie jednemu z najbardziej zakorzenionych założeń współczesnej kosmologii. Okazuje się, że wszechświat wcale nie musi wyglądać tak samo we wszystkich kierunkach, co może zrewolucjonizować nasze postrzeganie kosmosu.

Na skalach lokalnych, obejmujących pojedyncze galaktyki czy ich grupy, wszechświat bez wątpienia jest anizotropowy. Oznacza to, że jego struktura różni się w zależności od kierunku, w którym patrzymy – w jednej stronie może dominować pusta przestrzeń, podczas gdy w innej znajdziemy gęste skupisko galaktyk. Od dziesięcioleci jednak naukowcy opierają się na tzw. zasadzie kosmologicznej. Zakłada ona, że na znacznie większych skalach materia we wszechświecie jest mniej więcej równomiernie rozłożona we wszystkich kierunkach. Jest to pokłosie zasady kopernikańskiej, która mówi, że we wszechświecie nie ma „uprzywilejowanych obserwatorów” – innymi słowy, kosmos powinien wyglądać tak samo z każdego miejsca, jeśli spojrzymy na niego z odpowiednio dużej odległości.

Aby to sobie wyobrazić, pomyślmy o wszechświecie jak o tkaninie. Kiedy przybliżymy obraz do pojedynczych włókien, wyraźnie widzimy puste przestrzenie i nitkowate struktury łączące się w większą całość. Jednak oddalając się do znacznie większych skal, tkanina wydaje się jednorodna, z równomiernie rozłożonym materiałem. Debata toczyła się o to, na jak dokładnie dużej skali wszechświat powinien jawić się jako izotropowy. Przeglądy galaktyk ukazały „kosmiczną sieć” złożoną z włókien, ścian i pustek, a naukowcy nie byli pewni, jak szybko ta struktura powinna zanikać wraz ze wzrostem skali. Badania skupiające się na kosmicznym promieniowaniu tła (CMB) dostarczyły pewnych dowodów na rzecz zasady kosmologicznej, ale inne prace sugerowały, że anizotropowa struktura nadal istnieje na skalach od dziesiątek do setek megaparseków. Statystyczna istotność tych ostatnich była jednak niepewna.

Rewolucyjne dane z DESI: Niespodziewana struktura wszechświata

Wcześniej w tym roku instrument DESI zakończył swoje obserwacje, które zaowocowały zmapowaniem aż 47 milionów galaktyk, rozciągających się na obszarze 11 miliardów lat świetlnych. To pozwoliło astronomom na znacznie dokładniejszą ocenę wielkoskalowej struktury obserwowalnego wszechświata. Naukowcy Francesco Sylos Labini i Marco Galoppo, analizując te bezprecedensowe dane, doszli do zaskakujących wniosków, które opublikowali w prestiżowym czasopiśmie „Nature”.

Autorzy nowej pracy twierdzą, że wcześniejsze badania anizotropii skupiały się na wykrywaniu preferowanych kierunków, zamiast oceniać bardziej ogólną strukturę kierunkową. Aby to zmienić i zmierzyć, jak rozkład materii zmienia się zarówno z odległością, jak i kątem, użyli statystyki zwanej Angular Distribution of Pairwise Distances (ADPD). ADPD to metoda bezparametrowa, która mierzy korelacje kierunkowe. Porównali swoje wyniki z modelem opartym na oczekiwanej izotropii.

I tu nastąpiło prawdziwe zaskoczenie: próbki galaktyk z DESI wykazały uporczywą anizotropową strukturę w rozkładzie galaktyk, sięgającą skal rzędu gigaparseków. Oznacza to, że galaktyki grupowały się bardziej, niż powinny, na skalach znacznie większych niż te badane wcześniej. Jeśli wcześniejsze badania sugerowały anizotropię na skalach megaparseków, to obecne wyniki wskazują, że anizotropia istnieje na skalach aż 1000 razy większych!

„Te wyniki dostarczają bezpośrednich dowodów na to, że spójność kierunkowa utrzymuje się na większych skalach niż przewidywano w standardowym schemacie, rzucając wyzwanie założeniu wielkoskalowej izotropii” – piszą autorzy badania.

Co to oznacza dla naszej wiedzy o kosmosie?

Oczywiście, nowe badanie ma swoje ograniczenia i samo w sobie nie wskazuje na fizyczne źródło anizotropii. Nawet jeśli jest poprawne, wszechświat może ostatecznie stać się izotropowy na jeszcze większych skalach. Niemniej jednak, ponieważ zasada kosmologiczna stanowi fundament wielu idei w kosmologii, autorzy sugerują, że niektóre teorie mogą wymagać rewizji, jeśli anizotropia na tak dużą skalę zostanie potwierdzona.

„Wykrycie wielkoskalowych anizotropii kontrastuje ze standardową formułą zasady kosmologicznej, która zakłada statystyczną jednorodność i izotropię wokół dowolnego punktu, pozostając jednocześnie kompatybilne z zasadą kopernikańską, która wymaga jedynie braku uprzywilejowanych miejsc obserwacyjnych” – wyjaśniają naukowcy. To oznacza, że choć nie jesteśmy w centrum wszechświata, to jednak wszechświat może nie być idealnie gładki, jak dotąd sądziliśmy.

Z teoretycznego punktu widzenia, istnienie tak dużych anizotropii motywuje do eksploracji bardziej ogólnych rozwiązań równań pola Einsteina, które jawnie dopuszczają wielkoskalowe niejednorodności jako modele kosmologiczne. Może to również prowadzić do badania alternatywnych źródeł przyspieszonego formowania się struktur, na przykład poprzez wprowadzenie samodziałających oddziaływań w składniku ciemnej materii lub efektów „backreaction” wynikających z niejednorodności. Przed nami fascynujący czas w kosmologii, gdzie dane z DESI mogą otworzyć zupełnie nowe rozdziały w poszukiwaniu praw rządzących wszechświatem.