Változhat a rejtélyes sötét energia, ami boríthatja az univerzumról alkotott teljes képünket
Fontos új felfedezést tettek az univerzum szerkezetének eddigi legátfogóbb felmérését végző kutatók, ami alapjaiban változtathatja meg a világegyetemről alkotott képünket. Egy, a sötét energiát vizsgáló műszer legfrissebb eredményei arra utalnak, hogy a kozmológia széles körben elfogadott standard modellje nem a legmegfelelőbb a világ leírására, és ha ez bebizonyosodik, a tudósoknak új módszereket kell kitalálniuk a sötét energia és ezzel együtt a világegyetem működésének megértéséhez. A legutóbbi mérések elemzése alapján úgy tűnik, hogy a korábban állandónak gondolt sötét energia nagysága feltehetően időben változik, méghozzá csökken, ez pedig boríthat mindent, amit eddig tudtunk róla.
A negyedik éve működő arizonai Sötét energia színképelemző műszer (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI) legfrissebb mérései azt mutatják, hogy a sötét energia nem állandó, és hogy az univerzum tágulása idővel lassulhat. Ez azért fontos, mert az eddig elfogadott modell szerint az ősrobbanás óta az univerzum folyamatosan gyorsulva tágul, ennek az oka pedig az állandó sötét energia, vagyis a tér vákuumjának állandó energiája.
Adam Reiss Nobel-díjas asztrofizikus ezt úgy fogalmazta meg: ha az univerzum egy mazsolás kalácstészta, a mazsolák jelölik a különböző galaxisokat, a kelt tészta magát az univerzumot, az ősrobbanás pedig azt a pillanatot, amikor a kalácsot berakjuk a sütőbe. A kalács dagadni kezd, a mazsolák pedig – a sötét energiának köszönhetően – egyre gyorsabban távolodnak egymástól.
A kutatóknak még mindig fogalmuk sincs, hogy pontosan mi is az a sötét energia, és hogyan viselkedik. A neve arra utal, hogy nem bocsát ki semmilyen ismert sugárzást, így senkinek sem sikerült közvetlenül megfigyelnie, de a világegyetemben ismert objektumokra és jelenségekre gyakorolt hatása miatt arra következtethetünk, hogy léteznie kell, és a kozmosz energiájának 70 százalékát teszi ki.
A sötét energiát mint a gravitáció ellen dolgozó negatív nyomást kozmológiai állandónak nevezzük, mivel a csillagászok változatlannak gondolják, és ebből azt az elméletet vezetik le, hogy az univerzum egyszer majd egy Nagy Reccsnek vagy nagy fagyásnak nevezett eseményben ér véget. Ekkorra már minden olyan távol lesz egymástól, hogy még a fény sem képes áthidalni a galaxisok közötti távolságot. Itt lép be a képbe a DESI és annak legfrissebb eredményei: ha a sötét energia nagysága csökken, akkor nem lehet állandó. Ez pedig nem illik bele a részecskefizika standard modelljébe, vagyis az elektromágneses, a gyenge és erős kölcsönhatást, valamint az alapvető elemi részecskéket leíró kvantumtérelméleti modellbe – amelyet eddig számos megfigyelés igazolt.
A DESI a kozmosz jelenlegi legnagyobb 3D-s térképét alkotta meg, pontosan méri a galaxisok közötti távolságokat az univerzum történetének különböző időpontjaiban, lehetővé téve a kozmológusoknak, hogy kiszámítsák, milyen gyorsan tágul az univerzum. A teleszkóp a távoli galaxisok által kibocsátott fény vöröseltolódásának megfigyelését is végzi, azaz azt figyeli, hogy a fény hullámhossza hogyan nyúlik meg, miközben a táguló univerzumon áthalad. A DESI képes mérni azt, amit a tudósok barion akusztikus oszcillációnak vagy BAO-skálának neveznek – lényegében azt, hogy az univerzum korai szakaszában bekövetkezett események milyen mintákat hagytak maguk után az anyag kozmoszban való eloszlásában. A csillagászok a BAO-skálát, ami az anyag körülbelül 480 millió fényévnyi távolságát mutatja, standard mércének tekintik. Ez a skála gyakorlatilag egy nagy vonalzó, amivel távolságokat lehet mérni, és ezeknek a távolságoknak és vöröseltolódásoknak (azaz a tőlünk távolodó objektumok sebességének) a kombinációját használják a világegyetem tágulásának mérésére.
A DESI tavalyi kutatási eredményei alapján a kutatók már pedzegették azt, hogy az univerzum valóban gyorsulva tágul ugyan, de ez a gyorsulás idővel lassul. A friss kutatás megerősítette ezeket a jeleket. Ha ez a változás így folytatódik, akkor végül a sötét energia hatása kevésbé lesz domináns az univerzumban, ezért a világegyetem tágulása nem gyorsul tovább. Ebből az következik, hogy vagy állandó ütemben fog folytatódni a tágulás, vagy egyes modellekben akár meg is állhat, és az univerzum összeomolhat (Nagy Reccs). Persze ez nem holnap fog bekövetkezni, ha bekövetkezik is egyáltalán, több milliárd éves időskáláról beszélünk.
Önmagukban véve a DESI adatai összhangban vannak a kozmológiai standard modellel, vagyis a Lambda-CDM-mel vagy ΛCDM-mel (ahol a CDM a hideg sötét anyag, a lambda pedig a sötét energia legegyszerűbb esete, ami a kozmológiai állandót jelöli). Ha ezt az eredményt azonban mérésekkel párosítjuk, akkor egyre több jel utal arra, hogy a sötét energia hatása idővel gyengülhet, és más modellek jobban illeszkedhetnek a megfigyelésekre. Ezek a mérések magukban foglalják a világegyetem hajnaláról visszamaradt fényt (ez a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás vagy CMB), a szupernóva-robbanások „standard gyertyáit”, és azt, hogy a távoli galaxisok fényét hogyan torzítja a gravitáció (gyenge lencsehatás).
A DESI kutatói közül voltak, akik úgy gondolták, hogy elég a ΛCDM-modellt az új mérések figyelembevételével igazítani az eredményekhez, hogy ez a modell továbbra is érvényes maradjon. Mások viszont azzal érveltek, hogy ezek a módosítások nem alapulnának mérhető fizikai valóságon. A mérések publikálása után megindult a teóriagyártás, és a témával foglalkozó kutatók sorra jöttek elő olyan modellekkel, amelyekbe jobban beleilleszthetők az új eredmények.
A DESI által megfigyelt változások például több kutató szerint jobban igazolhatók egy másik sötétenergia-elmélettel, ami a sötét energiát mezőként írja le, hasonlóan a fényt vagy a nukleáris erőket leíró mezőkhöz. Ez egyébként a kozmológiai állandó mellett a sötét energia egyik legnépszerűbb lehetséges magyarázata. Ebben a kvintesszenciának nevezett modellben a sötét energia egyenletesen tölti ki a teret, és egy dinamikus erőtér, aminek az energiája térben és időben változhat, tehát változik az értéke, és lehet vonzó, de taszító is. Az elmélet szerint nagyjából 10 milliárd évvel ezelőtt válthatott át vonzásból taszításba, a kozmikus tágulás ütemét fokozatosan a gyorsulás irányába változtatva, de a nagysága változékonyságából fakadóan bármikor újra vonzásba válthat át, ha az erőhatások mértéke változik.
A kvintesszencia-modellt pártoló Yashar Akrami, a Madridi Autonóm Egyetem kutatója szerint a kvintesszenciamező-elképzelés egyik nagy előnye, hogy a létezése a világegyetem teljesebb modelljeiből, például bizonyos húrelméleti modellekből is származtatható – ha sikerül bizonyítani, hogy a sötét energia kvintesszencia, akkor a húrelméletet kutató tudósoknak ez a felfedezés óriási lökést fog adni a munkájukhoz.
Míg Akrami elképzelése szerint a kvintesszencia nem vagy csak nagyon gyengén lép kölcsönhatásba a gravitációval, Pedro Ferreira, az Oxfordi Egyetem kutatója és munkatársai olyan kvintesszencia-modellt hoztak létre, amiben a sötét energia már kölcsönhatásba léphet a gravitációval, ugyanis egy ilyen modellbe jobban illeszkednek a DESI mostani eredményei. Ha ezek az elképzelések igazak, akkor a sötét energia egy ötödik erő lenne, ami majdnem mindennel kölcsönhatásba lépne. De csak hogy ne legyen ilyen „egyszerű” a dolog: ha ez így lenne, és a sötét energia valóban ötödik erőként működne, annak bizonyítékait már pontos mérésekben is látnunk kellett volna, például a bolygópályáknál vagy a Földön végzett relativitáselméleti mérésekben. Tehát egy olyan fizikai elvet is ki kellene találniuk az ezzel foglalkozó tudósoknak, ami eddig megakadályozta, hogy megmérjük az ötödik erő hatását ezekben a rendszerekben. A kutatók azt írják a preprintjükben: ha ilyen fizikai elv nem létezik, akkor a kvintesszencia elég valószínűtlen magyarázata az új megfigyeléseknek.
Más kutatók is úgy gondolják, hogy az olyan elméletek, amikben van kölcsönhatás a gravitációval, jobban illeszkednek a DESI adataihoz. Gen Ye, a hollandiai Leideni Egyetem kutatója szerint például az ő és kollégái által kigondolt, kiolvadó vagy felengedő gravitációnak nevezett modell alkalmazható lehet ebben az esetben. E szerint az Einstein általános relativitáselméletében leírt gravitáció egy bizonyos időpontban másképp fog működni, mivel kölcsönhatásba kerül a változó sötétenergia-mezővel. Ez segíthet megmagyarázni a DESI-mérések egy problematikus következtetését, miszerint az univerzum energiasűrűségének idővel növekednie kell, ha a sötét energia gyengül.
Ye és munkatársai szerint a DESI-adatok viszont kizárják a kvintesszenciát, mivel arra utalnak, hogy az ilyen modellekben az a számítások szerint átlépi az úgynevezett fantomhatárt. Az új eredmények értelmezésében ugyanis egy másik kihívás, hogy úgy tűnik: a sötét energia nagysága évmilliárdokig fokozatosan erősödött, mielőtt körülbelül hatmilliárd évvel ezelőtt elkezdett volna gyengülni. Az erősödő viselkedés nem elképzelhetetlen, de az elméleti fizikusok meglehetősen természetellenesnek tartják, és fantom-sötétenergiának nevezik. Ha a DESI-mérések valóban átlépik a fantomhatárt, akkor ez kizárja a modellt.
Ugyanígy a kvantumgravitáció más elméletei is illeszkedhetnek az új felfedezéshez, amik régóta küzdenek az ΛCDM-en alapuló következtetéssel, hogy az univerzum tágulása örökké gyorsulni fog. E modellek szerint a kvantumingadozás egy idő után túlnyúlna a Hubble-sugáron, vagyis a megfigyelhető univerzumon, ami nem egyeztethető össze az univerzum teljes leírásával. Egy változó nagyságú sötét energia azonban realisztikusabbá tenné ezeket az elméleteket.
Egyes kutatók szerint a DESI-mérések a sötét energiára vetítve lehetetlennek tűnnek, és máshol kell keresni az eredmények magyarázatát. Raphael Bousso, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem elméleti fizikusa úgy gondolja, hogy a sötét energia állítólagos változása annyira valószínűtlen, hogy a lehetetlen határát súrolja. Szerinte már az ismert részecskék viselkedése alapján is kijelenthető, hogy a vákuumnak rendelkeznie kell valamilyen állandó energiával, tehát a DESI-nek valamilyen további, eddig felfedezetlen mező apró hatását kellett érzékelnie a sötét energia helyett, ami fokozatosan vékonyodó, taszító folyadékként működik, és alig megkülönböztethető az állandó vákuumenergiától. Ő sokkal valószínűbbnek tartja, hogy valamilyen apró hiba vezetett ahhoz, hogy a DESI csapata – e szerint tévesen – megkérdőjelezze a kozmológiai állandó ezen viselkedését.
Fontos megjegyezni, hogy a jelenlegi DESI-adatok nem elég pontosak ahhoz, hogy megbízhatóan különbséget tegyenek a sötét energia és a gravitáció kölcsönhatását leíró különböző modellek között – ezt a kutatók maguk is elismerik. Így egyelőre lehetetlen eldönteni, hogy melyik elmélet lehet a helyes, vagy hogy valójában mit is mértek pontosan a műszerek.
Az új adatok jelenleg még nem érik el az úgynevezett 5-szigmát, ami a fizika aranystandardja, ha egy felfedezést igazoltnak akarunk tekinteni. A mostani DESI-adatoknak a kozmikus háttérsugárzással, a gyenge lencsehatásokkal és a szupernóva-adatállományokkal való különböző kombinációi 2,8 és 4,2 szigma között mozognak – ez azt jelenti, hogy ha, mondjuk, 3-as szigmával számolunk, 0,3 százalék az esély arra, hogy a mérések statisztikai véletlenek legyenek. Az elemzés során viszont a kutatók olyan technikát (vaktesztet) alkalmaztak, ami a folyamat végéig elrejtette a végső eredményeket a tudósok elől, enyhítve az adatokkal kapcsolatos, akaratlanul is bekövetkező elfogultságot. A DESI-kutatók úgy összegzik eredményüket, hogy a változó nagyságú sötét energiára még soha nem voltak ilyen erős bizonyítékaink.
A fent említett új és régi modellekkel való összekapcsolás is csak spekuláció, már amennyire az elméleti fizika az lehet – valószínűleg csak a jövő sötétenergia-mérései fogják igazolni, hogy közülük valódi-e valamelyik, vagy egy teljesen más modellel lehet leírni az univerzum pontos működését.
(Források: New Scientist, Berkeley Lab, CNN, University of Chicago, Quanta Magazine, Csillagaszat.hu)
