Gravitational-Susceptibility Dip Behind DESI's results: Addressing the Phantom Crossing by Local limit of Nonlocal Gravity

Het universum breidt uit, en al decennia lang geloven astronomen dat deze expansie wordt aangedreven door een mysterieuze kracht genaamd donkere energie. In het standaardmodel van de kosmologie wordt gedacht dat deze kracht een constante, onveranderlijke energie is die inherent is aan de lege ruimte zelf, die sterrenstelsels op een gestage, voorspelbare snelheid uit elkaar duwt. Dit model heeft goed gewerkt voor veel waarnemingen, maar laat natuurkundigen met diepe vragen over waarom het universum zich zo gedraagt en wat donkere energie eigenlijk is. Onlangs is een enorme nieuwe survey van het kosmos begonnen met het uitdagen van dit eenvoudige beeld. Door de posities van miljoenen sterrenstelsels en quasars in kaart te brengen, hebben wetenschappers aanwijzingen gevonden dat donkere energie misschien helemaal niet constant is. In plaats daarvan lijkt het alsof de energie door de tijd heen verandert, en op een manier die de huidige regels van de natuurkunde zoals wij die begrijpen, tart. Deze nieuwe gegevens suggeren dat de kracht die de expansie van het universum aandrijft, een kritische drempel overgaat, waarbij het verschuift van het ene type gedrag naar het andere op een manier die de standaardtheorie moeilijk kan verklaren zonder het oproepen van instabiele of onmogelijke vormen van materie.

Een team onderzoekers van de Sharif University of Technology in Iran heeft een nieuwe manier voorgesteld om deze verwarrende resultaten te begrijpen zonder de wetten van de natuurkunde te breken. Zij suggereren dat het vreemde gedrag dat in de data wordt gezien, niet wordt veroorzaakt door een nieuwe, exotische vorm van energie, maar door een subtiele verandering in hoe de zwaartekracht zelf werkt op de grootste schalen. Hun werk richt zich op een specifieke theorie genaamd niet-lokale zwaartekracht, die zich voorstelt dat de kracht van de zwaartekracht niet slechts een eenvoudige interactie is tussen twee punten in de ruimte, maar wordt beïnvloed door de geschiedenis van het veld eromheen, vergelijkbaar met hoe de reactie van een materiaal op een elektrisch veld kan afhangen van zijn verleden. In dit kader wordt de sterkte van de zwaartekracht beheerst door een factor genaamd gravitationele susceptibiliteit, die kan variëren naarmate het universum evolueert. De onderzoekers ontdekten dat als deze susceptibiliteit in de loop van de tijd verandert, dit de illusie kan creëren van donkere energie die zich vreemd gedraagt, zelfs als de donkere energie zelf volkomen normaal en constant blijft.

De sleutel tot hun ontdekking ligt in de nieuwste gegevens van het Dark Energy Spectroscopic Instrument, of DESI. Dit instrument heeft de posities van meer dan veertien miljoen sterrenstelsels en quasars gemeten, waarmee de meest gedetailleerde kaart van de grootschalige structuur van het universum ooit is gemaakt. Wanneer het DESI-team hun metingen combineerde met gegevens van de kosmische achtergrondstraling en supernova's, wezen de resultaten op een donkere energie die van aard verandert. Specifiek suggereren de gegevens dat de toestandsvergelijking van donkere energie — een getal dat beschrijft hoe de druk zich verhoudt tot de dichtheid — een kritische lijn heeft overgestoken die bekend staat als de "phantom divide". In de standaardvisie zou het oversteken van deze lijn een "phantom" vloeistof vereisen, een type materie dat fundamentele energievoorwaarden schendt en over het algemeen als instabiel of onmogelijk wordt beschouwd in de standaardnatuurkunde. De DESI-gegevens geven aan dat deze overgang ongeveer 4 miljard jaar geleden plaatsvond, toen het universum ongeveer twee derde van zijn huidige leeftijd had.

De onderzoekers toonden aan dat deze phantom-overgang niet de existentie van dergelijke onmogelijke materie vereist. In plaats daarvan hebben zij aangetoond dat een veranderende gravitationele susceptibiliteit dit effect perfect kan nabootsen. In hun model blijft de donkere energievloeistof constant en goed gedrag vertonen, met een vaste relatie tussen de druk en de dichtheid. Echter, omdat de gravitationele susceptibiliteit verandert terwijl het universum uitdijt, zal een waarnemer die de expansiesnelheid meet, een andere, veranderende waarde voor het gedrag van de donkere energie berekenen. Het is alsof de waarnemer naar een stabiel object kijkt door een lens die langzaam van vorm verandert; het object is niet bewogen, maar het zicht erop is verschoven. De onderzoekers berekenden exact hoe deze susceptibiliteit moet veranderen om overeen te komen met de DESI-waarnemingen. Ze vonden dat de susceptibiliteit rond een specifiek moment in de geschiedenis van het universum licht moet dalen, een minimum bereikt rond dezelfde tijd als de phantom-overgang werd waargenomen, voordat het terugkeert naar zijn vorige staat.

Om dit idee te testen, gebruikte het team krachtige computersimulaties om hun model te vergelijken met de werkelijke gegevens. Ze voedden de nieuwste metingen van de kosmische achtergrondstraling, de DESI-sterrenstelsel-survey en drie verschillende catalogi van supernova's in hun vergelijkingen. De resultaten waren opmerkelijk: het model met de veranderende gravitationele susceptibiliteit paste net zo goed, en in sommige gevallen zelfs beter, bij de gegevens als het standaardmodel van de kosmologie. De analyse onthulde dat de beste fit voor de gegevens vereiste dat de gravitationele susceptibiliteit een dip had met een diepte van ongeveer minus 0,025 bij een roodverschuiving van ongeveer 0,4, wat overeenkomt met de tijdstip waarop de phantom-overgang werd gedetecteerd. Dit is een kleine maar significante feature in de structuur van de respons van de ruimtetijd op materie, en de aanwezigheid ervan verklaart de waargenomen verschuiving in het gedrag van de donkere energie zonder dat er nieuwe, exotische deeltjes of velden geïntroduceerd hoeven te worden.

De studie onderzocht ook hoe dit nieuwe model ons begrip van de leeftijd en de expansiesnelheid van het universum beïnvloedt, ook wel de Hubble-constante genoemd. De onderzoekers vonden dat de diepte van de susceptibiliteitsdip gekoppeld is aan de waarde van deze expansiesnelheid. Wanneer het model rekening houdt met de dip, suggereert het een iets andere expansiesnelheid dan het standaardmodel, wat helpt om enkele van de spanningen op te lossen die de afgelopen jaren zijn verschenen tussen verschillende methoden om de groei van het universum te meten. Belangrijk is dat het model consistent blijft met alle belangrijke kosmologische sondes, inclus overlapping van de gedetailleerde patronen van licht uit het vroege universum. De onderzoekers concludeerden dat de door DESI waargenomen phantom-overgang waarschijnlijk een effectief fenomeen is, een natuurlijk gevolg van een gemodificeerd gravitationeel kader, in plaats van een teken van instabiele donkere energie.

Dit werk biedt een overtuigend alternatief voor het idee dat het universum gevuld is met exotische, instabiele materie. Door aan te tonen dat een eenvoudige verandering in de regels van de zwaartekracht het complexe gedrag in de gegevens kan reproduceren, bieden de onderzoekers een pad vooruit dat de wetten van de natuurkunde intact houdt. Het model suggereert dat de expansiegeschiedenis van het universum dynamischer is dan voorheen gedacht, niet omdat de energie die het aandrijft verandert, maar omdat de manier waarop de zwaartekracht op die energie reageert, evolueert. De bevindingen bewijzen niet dat dit het definitieve antwoord is, maar ze demonstreren dat de vreemde signalen gedetecteerd door DESI kunnen worden verklaard binnen een coherente, gemodificeerde zwaartekrachttheorie. Naarmate er meer gegevens binnenkomen van toekomstige surveys, zal dit idee van een veranderende gravitationele susceptibiliteit verder worden getest, wat potentieel ons begrip van de onzichtbare krachten die het kosmos beheersen, zal hervormen.