Pertumbuhan struktur kosmik ditekan secara misterius

Representasi artistik materi di alam semesta awal secara perlahan menyatu menjadi struktur kosmik yang lebih besar di alam semesta akhir. Kredit: Minh Nguyen, Universitas Michigan dan Thanh Nguyen (suami)

Para ilmuwan telah menemukan bahwa struktur kosmik tumbuh lebih lambat dari yang diperkirakan oleh teori relativitas umum Einstein, dan energi gelap memainkan peran penghambatan yang lebih dominan daripada yang diperkirakan sebelumnya. Penemuan ini mungkin mengubah pemahaman kita tentang materi gelap, energi gelap, dan teori kosmologis mendasar.

Seiring berkembangnya alam semesta, para ilmuwan memperkirakan struktur kosmik besar akan tumbuh pada tingkat tertentu: wilayah padat seperti gugus galaksi akan semakin padat, sementara ruang hampa akan menjadi semakin kosong.

Namun, para peneliti dari Universitas Michigan telah menemukan bahwa laju pertumbuhan struktur besar ini lebih lambat dari perkiraan teori relativitas umum Einstein.

Mereka juga menunjukkan bahwa meskipun energi gelap mempercepat perluasan global alam semesta, penekanan terhadap pertumbuhan struktur kosmik yang para peneliti lihat dalam data mereka lebih besar daripada prediksi teori. Hasilnya dipublikasikan pada 11 September di jurnal Surat ulasan fisik.

Jaringan kosmik

Galaksi-galaksi saling terhubung di seluruh alam semesta kita seperti jaring laba-laba kosmik raksasa. Distribusinya tidak acak. Sebaliknya, mereka cenderung berkumpul bersama. Faktanya, seluruh jaringan kosmik dimulai sebagai gumpalan kecil materi di alam semesta awal, yang secara bertahap tumbuh menjadi galaksi-galaksi individual, dan akhirnya menjadi gugus dan filamen galaksi.

“Sepanjang waktu kosmik, segumpal kecil massa menarik dan mengumpulkan lebih banyak materi dari wilayah lokalnya melalui interaksi gravitasi. Ketika wilayah tersebut menjadi lebih padat, “Ia akhirnya runtuh karena gravitasinya sendiri.”

“Jadi, seiring keruntuhannya, kepadatan gumpalannya meningkat. Itulah yang kami maksud dengan pertumbuhan. Ini seperti alat tenun yang keruntuhan satu, dua, dan tiga dimensinya terlihat seperti daun, benang, dan simpul. Kenyataannya adalah kombinasi dari ketiga keadaan tersebut, dan Anda memiliki galaksi-galaksi yang hidup di sepanjang benang-benang tersebut, sementara gugus-gugus galaksi — gugusan Ribuan galaksi – objek-objek paling masif di alam semesta kita yang terikat oleh gravitasi – berada di titik-titik simpulnya.

Energi gelap dan ekspansi kosmik

Alam semesta tidak hanya terbuat dari materi. Kemungkinan juga mengandung komponen misterius yang disebut energi gelap. Energi gelap mempercepat perluasan alam semesta dalam skala global. Meskipun energi gelap mempercepat perluasan alam semesta, energi gelap mempunyai efek sebaliknya pada struktur yang lebih besar.

“Jika gravitasi bertindak sebagai penguat yang mendorong gangguan materi untuk tumbuh menjadi struktur berskala besar, maka energi gelap bertindak sebagai peredam gangguan tersebut dan memperlambat pertumbuhan struktur,” kata Nguyen. “Dengan mempelajari bagaimana struktur kosmik berkumpul dan berkembang, kita dapat mencoba memahami sifat gravitasi dan energi gelap.”

Metodologi dan penyelidikan

Nguyen, profesor fisika Universitas Maryland Dragan Huterer, dan mahasiswa pascasarjana Universitas Maryland Yuyu Wen meneliti pertumbuhan temporal struktur skala besar sepanjang waktu kosmik menggunakan beberapa penyelidikan kosmologis.

Pertama, tim menggunakan apa yang disebut latar belakang gelombang mikro kosmik. Latar belakang gelombang mikro kosmik, atau CMB, terdiri dari foton yang dipancarkan langsung setelah… ledakan besar itu. Foton-foton ini memberikan gambaran awal alam semesta. Saat foton bergerak menuju teleskop kita, jalurnya dapat terdistorsi, atau dipengaruhi gravitasi, oleh struktur ekstensif di sepanjang jalur tersebut. Dengan mempelajarinya, para peneliti dapat menyimpulkan bagaimana struktur dan materi didistribusikan antara kita dan latar belakang gelombang mikro kosmik.

Nguyen dan rekan-rekannya memanfaatkan fenomena serupa yaitu pelensaan gravitasi lemah pada bentuk galaksi. Cahaya dari galaksi latar belakang terdistorsi oleh interaksi gravitasi dengan materi latar depan dan galaksi. Kosmolog kemudian memecahkan kode distorsi ini untuk menentukan bagaimana materi di dalamnya didistribusikan.

“Yang terpenting, karena CMB dan galaksi latar belakang berada pada jarak yang berbeda dari kita dan teleskop kita, pelensaan gravitasi lemah galaksi biasanya mengeksplorasi distribusi materi lebih lambat dibandingkan melalui pelensaan gravitasi lemah CMB,” kata Nguyen.

Untuk menelusuri pertumbuhan struktur tersebut hingga masa-masa selanjutnya, para peneliti juga menggunakan pergerakan galaksi di alam semesta lokal. Ketika galaksi jatuh ke dalam sumur gravitasi struktur kosmik yang mendasarinya, pergerakannya secara langsung mengikuti pertumbuhan struktur tersebut.

“Perbedaan tingkat pertumbuhan yang mungkin kita deteksi menjadi lebih nyata seiring dengan semakin dekatnya kita dengan kondisi saat ini,” kata Nguyen. “Secara individu dan kolektif, berbagai investigasi ini menunjukkan adanya penghambatan pertumbuhan. Entah kita melewatkan beberapa kesalahan sistematis dalam masing-masing penyelidikan ini, atau kita melewatkan beberapa tahap akhir fisika baru dalam model standar kami.”

Penanganan stres S8

Hasilnya berpotensi mengatasi apa yang disebut ketegangan S8 dalam kosmologi. S8 merupakan parameter yang menggambarkan pertumbuhan struktur. Ketegangan muncul ketika para ilmuwan menggunakan dua metode berbeda untuk menentukan nilai S8, namun mereka tidak sepakat. Metode pertama, menggunakan foton dari latar belakang gelombang mikro kosmik, menunjukkan nilai S8 yang lebih tinggi dibandingkan nilai yang disimpulkan dari pelensaan gravitasi galaksi yang lemah dan pengukuran gugus galaksi.

Tak satu pun dari penelitian ini yang mengukur pertumbuhan struktur saat ini. Sebaliknya, mereka memeriksa struktur pada masa lalu, lalu mengekstrapolasi pengukuran tersebut ke masa sekarang, dengan asumsi Model Standar. Struktur penyelidikan latar belakang gelombang mikro kosmik di alam semesta awal, sementara pelensaan gravitasi galaksi lemah dan struktur penyelidikan cluster di alam semesta akhir.

Temuan para peneliti tentang penekanan pertumbuhan yang terlambat akan menempatkan kedua nilai S8 dalam kesepakatan yang lengkap, menurut Nguyen.

“Kami terkejut dengan tingginya signifikansi statistik dalam penindasan displasia,” kata Hutterer. “Sejujurnya, saya merasa alam semesta sedang mencoba memberi tahu kita sesuatu. Tugas kita sekarang, sebagai kosmolog, adalah menafsirkan hasil ini.”

“Kami ingin memperkuat bukti statistik untuk menekan pertumbuhan. Kami juga ingin memahami jawaban atas pertanyaan yang lebih sulit tentang mengapa struktur tumbuh lebih lambat dari yang diperkirakan dalam Model Standar dengan materi gelap dan energi gelap. Efek ini mungkin disebabkan oleh sifat-sifat baru energi gelap dan materi gelap, atau perluasan lainnya.” Untuk relativitas umum dan Model Standar, kami belum memikirkannya.

Referensi: “Bukti penindasan pertumbuhan struktur dalam model kosmologis konformal” oleh Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer dan Yue Wen, 11 September 2023, Surat ulasan fisik.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001