Столкновение скопления галактик, которого не должно было случиться — вызов космологическим теориям

Когда в космологии появляется работоспособная теория о том, когда и как происходили столкновения галактик в ранней Вселенной, то вскоре что-то ее опровергает. В данном случае виновником опровержения стандартной модели космологии модели Лямбда-CDM (ΛCDM) является столкновение двух массивных скоплений галактик, которые в результате объединились и образовали еще более крупное скопление Эль-Гордо.

Это произошло, когда Вселенная была вдвое моложе, чем сейчас, но для модели ΛCDM это слишком рано. Согласно модели ΛCDM, галактики сначала формируются и только потом объединяются в более крупные скопления. Таким образом, должно было пройти гораздо больше времени, чтобы скопления галактик могли появиться на космической сцене. Это утверждается в исследовании международной группы астрономов, вышедшем в Astrophysical Journal.

Модель ΛCDM по сути устанавливает ограничения, обозначая определенные параметры происхождения и эволюции структуры Вселенной. Вселенная, согласно модели, заполнена тремя составляющими. Одна из них — темная энергия (космологическая постоянная Лямбда Λ). Вторая — холодная темная материя (англ. Cold Dark Matter — CDM). Третья — это, по сути, обычная материя, часто называемая барионной. Модель ΛCDM  — довольно простой способ объяснить, как возникли свойства космоса, которые мы сейчас наблюдаем. Она объясняет крупномасштабную структуру Вселенной в том виде, в котором она присутствует на космическом микроволновом фоне. Модель также описывает распределение галактик, содержание водорода, гелия и лития и ускоряющееся расширение Вселенной.

Но как Эль-Гордо — чрезвычайно массивное скопление галактик с красным смещением z = 0,87, состоящее из двух подскоплений с соотношением масс 3,6, сливающихся на высокой скорости, — и сам процесс его появления разрушают основы ΛCDM? 

Согласно этой модели, галактики формируются первыми во Вселенной. Затем, позже, они начинают объединяться, образуя более крупные галактики и их скопления. Это требует времени, поэтому их появление в космической истории так рано, как возникло Эль Гордо, является проблемой.

Исследовательская группа выяснила, когда произошло это столкновение, изучая моделирование взаимодействия. После детального анализа ученые оценили массу образовавшегося скопления Эль-Гордо, используя гравитационное линзирование фоновых галактик. Это слабое линзирование и масса скопления получены из наблюдений космического телескопа Хаббла и сопоставлены с более поздними исследованиями JWST.

Затем авторы исследования провели поиск по менее детальным космологическим моделям ΛCDM, охватывающим очень большой объем. Они искали смоделированные пары кластеров, развернувшихся в результате космического расширения, со свойствами, подобными Эль-Гордо с точки зрения общей массы, соотношения масс, красного смещения и скорости столкновения относительно вириальной скорости.  

Целью было подсчитать, сколько из них в целом аналогичны тому, каким было скопление Эль-Гордо незадолго до столкновения. Команда астрономов использовала инновационный метод световой конусной томографии. Метод подразумевает, что более удаленные объекты рассматриваются в более далеком прошлом, когда у Вселенной было меньше структуры.

Выяснилось, что существуют и другие скопления, которые, похоже, сформировались слишком быстро. Так, скопление Пуля — это еще один пример высокоэнергетического столкновения двух скоплений галактик, хотя и в более позднюю эпоху.  В сочетании с существованием Эль-Гордо ситуация вызывает еще больше сомнений в правильности ΛCDM. Также астрономам известно еще несколько примеров таких скоплений.

Результаты исследования показали, что разногласия с принципами ΛCDM существуют. Более того, существующая неопределенность относительно массы Эль-Гордо не столь значительна, чтобы ее можно было вписать в модель ΛCDM.

Симуляция также показала, что возникновение Эль-Гордо могло произойти в рамках ΛCDM. Но для этого нужно, чтобы сразу два массивных скопления быстро сформировались на расстоянии досягаемости друг от друга в столь ранний период космической истории — а это очень редкое событие для ΛCDM. Затем им нужно было направиться навстречу друг другу на очень высокой скорости. Это малореально для существующей космологической модели.

Авторы исследования также смогли получить более точные измерения массы Эль-Гордо. В любом случае, сотни детальных симуляций показывают, что Эль-Гордо не могло выглядеть так, как на полученных снимках, если бы у галактик была гораздо меньшая скорость столкновения, которая как раз более вероятна для ΛCDM.  Для формирования кластеров требуется больше времени, чем для создания Эль-Гордо. 

Скопления — не единственные объекты в ранней Вселенной, расширяющие границы модели ΛCDM. Несколько исследований, основанных на результатах JWST, показывают, что отдельные галактики сами по себе формируются быстрее, чем предсказывает современная теория. Но за этим необычно быстрым образованием кластеров еще стоит понаблюдать.