Тамна енергија, мистериозна сила за коју се сматра да покреће убрзано ширење универзума, остаје једна од најдубљих загонетки у модерној физици. Годинама је водеће објашњење било да је ова енергија константна — непроменљиво својство празног простора одговорног за космичко убрзање. Али недавни докази навели су научнике да преиспитају ту претпоставку.
Прошле године, резултати истраживања тамне енергије (ДЕС) и спектроскопског инструмента тамне енергије (ДЕСИ) привукли су пажњу космолога сугеришући да тамна енергија можда ипак није фиксирана. „Ово би био наш први показатељ да тамна енергија није космолошка константа коју је Ајнштајн увео пре више од 100 година, већ нова, динамична појава“, објаснио је Џош Фриман, професор емеритус астрономије и астрофизике.
Нова анализа указује на силу која се развија
У студији објављеној у Физички преглед Д у септембру, Фриеман и Ановар Схајиб, Ајнштајнов стипендиста програма НАСА Хуббле Фелловсхип Програм за астрономију и астрофизику, анализирали су широк спектар постојећих космолошких података. Њихови налази показују да динамички, временски променљиви модели тамне енергије боље одговарају тренутним посматрањима од дугогодишњег модела космолошке константе.
Шаџиб је специјализован за опсервациону космологију и еволуцију галаксија, примењујући снажно гравитационо сочиво за мерење Хаблове константе и сужавање параметара тамне енергије. Фриманов рад се такође усредсређује на опсервациону космологију, користећи масивна истраживања неба као што су Слоан Дигитал Ски Сурвеи (СДСС) и ДЕС за проучавање порекла, структуре и судбине универзума док истражује мистериозну силу која покреће његову убрзану експанзију.
Универзитет у Чикагу разговарао је са Шаџибом и Фриманом о њиховим налазима, шта би ови нови модели могли да значе за наше разумевање космичке еволуције и како би будућа посматрања могла открити да ли се тамна енергија заиста мења током времена.
Зашто је тамна енергија значајна у проучавању универзума?
Фриеман: Сада тачно знамо колико тамне енергије постоји у универзуму, али немамо физичко разумевање шта јесте. Најједноставнија хипотеза је да је то енергија самог празног простора, у ком случају би она била непроменљива у времену, појам који сеже до Ајнштајна, Леметра, де Ситера и других у раном делу прошлог века. Помало је непријатно што немамо појма шта је 70 одсто универзума. И шта год да је, то ће одредити будућу еволуцију универзума.
Која недавна открића су навела космологе да размотре да тамна енергија можда еволуира?
Схајиб: Иако је постојало интересовање за динамичку природу тамне енергије од њеног открића ’90-их да би се решиле неке опсервацијске разлике, све до недавно, већина главних и робусних скупова података била је у складу са не-еволуирајућим моделом тамне енергије, који је прихваћен као стандардна космологија. Међутим, интересовање за развој тамне енергије снажно је поново запаљено прошле године због комбинације супернова, барионских акустичних осцилација и космичких микроталасних позадинских података из ДЕС, ДЕСИ и Планцк експеримената. Ова комбинација скупова података указала је на снажно неслагање са стандардним, не-еволуирајућим моделом тамне енергије. Занимљива карактеристика тамне енергије која се не развија је да њена густина остаје константна током времена иако се простор шири. Међутим, за модел тамне енергије који се развија, густина тамне енергије ће се временом мењати.
Фриеман: Подаци из ових истраживања нам омогућавају да закључимо историју космичке експанзије – колико се брзо свемир ширио у различитим епохама у прошлости. Ако тамна енергија еволуира у времену, та историја ће бити другачија него ако је тамна енергија константна. Резултати историје космичке експанзије сугеришу да се током последњих неколико милијарди година, густина тамне енергије смањила за око 10 процената – не много, и много мање од густине друге материје и енергије, али и даље значајно.
Шта је био циљ ове студије и какви су били општи налази?
Схајиб и Фриеман: Циљ ове студије је да упореди предвиђања а физички модел за развој тамне енергије са најновијим скуповима података и закључивање физички својства тамне енергије из овог поређења. „Модел“ тамне енергије који се развија у већини претходних анализа података је само математичка формула која није ограничена да се понаша као физички модели. У нашем раду директно упоређујемо моделе засноване на физици за еволуцију тамне енергије са подацима и откривамо да ови модели описују тренутне податке боље од стандардног, не-еволуирајућег модела тамне енергије. Такође показујемо да ће истраживања у блиској будућности, као што су ДЕСИ и Истраживање о наслеђу простора и времена Вера Рубин Опсерваторије (ЛССТ) моћи дефинитивно да нам кажу да ли су ови модели тачни или је, уместо тога, тамна енергија заиста константна.
Опишите представљене моделе и зашто они боље објашњавају понашање тамне енергије у поређењу са постојећим моделима.
Фриеман: Ови модели су засновани на теоријама физике честица хипотетичких честица званих аксиони. Аксионе су први предвидели физичари 1970-их, који су настојали да објасне одређене уочене карактеристике јаких интеракција. Данас се аксиони сматрају вероватним кандидатима за тамну материју, а експерименти широм света их активно траже, укључујући физичаре са Фермилаба и Универзитета у Чикагу.
Модели у нашем раду засновани су на другачијој, ултра-лакој верзији аксиона која би деловала као тамна енергија, а не тамна материја. У овим моделима, тамна енергија би, у ствари, била константна током првих неколико милијарди година космичке историје, али би аксион тада почео да еволуира – као лопта на нагнутом пољу која се ослобађа из мировања и почиње да се котрља – и њена густина би се полако смањивала, што је оно што подаци изгледа преферирају. Дакле, подаци указују на постојање нове честице у природи која је око 38 редова магнитуде лакша од електрона.
Које су импликације ових открића за разумевање космичке експанзије?
Схајиб: У овим моделима, густина тамне енергије опада са временом. Тамна енергија је разлог за убрзано ширење универзума, па ако се његова густина смањи, убрзање ће се такође смањити с временом. Ако узмемо у обзир веома далеку будућност универзума, различите карактеристике тамне енергије могу довести до различитих исхода. Два екстрема ових исхода су Биг Рип, где се сама убрзана експанзија убрзава до те мере да цепа све, чак и атоме, и Биг Црунцх, где универзум престаје да се шири у неком тренутку и поново се колапсира, што ће изгледати као обрнути Велики прасак. Наши модели сугеришу да ће универзум избегавати оба ова екстрема: биће подвргнут убрзаној експанзији много милијарди година, стварајући хладан, тамни универзум – Велико замрзавање.
Да ли ови резултати могу имати друге, мање очигледне импликације?
Фриеман: Једине практичне импликације које могу да замислим су технологије које треба да развијемо да бисмо даље истраживали ове идеје – изградњу нових телескопа, лансирање нових сателита или развој нових детектора, на пример. Такав развој догађаја ће вероватно имати много већи утицај на наше животе него догађаји који се дешавају трилионима година у будућности.
Шта вас највише узбуђује у овим резултатима?
Схајиб: За овај рад прикупили смо све главне скупове података – из ДЕС, ДЕСИ, СДСС, Тиме-Делаи ЦОСМОграпхи, Планцки космолошки телескоп Атацама – и комбиновали их да би добили најоштрије мерење тамне енергије до сада. Сва ова мерења потичу из опсежних експеримената, па на неки начин представљају колективно знање које је космолошка заједница сакупила у целини.
Фриеман: Када смо почели да радимо на ДЕС-у 2003. године, наш циљ је био да ограничимо својства тамне енергије да бисмо утврдили да ли је константна или се мења. Две деценије подаци су указивали да је она константна. Скоро смо одустали од тог питања јер су подаци доследно подржавали претпоставку. Међутим, сада имамо први наговештај у више од 20 година да се тамна енергија можда мења, и ако се развија, то мора да буде нешто ново, што би променило наше разумевање фундаменталне физике. Тај осећај подсећа на оно где смо били на почетку. И даље би се могло испоставити да су ови наговештаји нетачни, али можда смо на корак од одговора на то питање, а то је прилично узбудљиво.
