Tamsioji energija yra paslaptinga Visatos komponentė, sukelianti jos plėtimosi pagreitėjimą. Nors ji sudaro didžiąją dalį Visatos bendros energijos tankio, tiksli jos prigimtis išlieka vienu didžiausių neišspręstų klausimų šiuolaikinėje fizikoje ir kosmologijoje. Nuo jos atradimo XX a. dešimtojo dešimtmečio pabaigoje, stebint tolimas supernovas, tamsioji energija pakeitė mūsų supratimą apie kosminę evoliuciją ir paskatino intensyvius tyrimus tiek teoriniu, tiek stebėjimų lygmeniu.
Šiame straipsnyje nagrinėsime:
- Istorinį kontekstą ir kosmologinę konstantą
- Įrodymus iš Ia tipo supernovų
- Papildomus metodus: KMF ir stambiąją struktūrą
- Tamsiosios energijos prigimtį: ΛCDM ir alternatyvas
- Stebėjimų nesutapimus ir dabartines diskusijas
- Ateities perspektyvas ir eksperimentus
- Baigiamąsias mintis
1. Istorinis kontekstas ir kosmologinė konstanta
1.1 Einsteino „didžiausia klaida“
1917 m., netrukus po Bendrosios reliatyvumo teorijos sukūrimo, Albertas Einsteinas savo lauko lygtyse [1] pristatė vadinamąją kosmologinę konstantą (Λ). Tuo metu vyravo įsitikinimas statiška, amžina Visata. Einsteinas pridėjo Λ, kad subalansuotų traukos jėgą kosminiu mastu ir taip užtikrintų statišką sprendinį. Tačiau 1929 m. Edwinas Hubble’as parodė, jog galaktikos nuo mūsų tolsta, o tai reiškė besiplečiančią Visatą. Vėliau Einsteinas, manydamas, kad besiplečiančiai Visatai Λ nebėra reikalinga, pavadino ją savo „didžiausia klaida“.
1.2 Ankstyvos užuominos apie nenulinę Λ
Nepaisant Einsteino apgailestavimo, nenulinės kosmologinės konstantos idėja nebuvo pamiršta. Vėlesniais dešimtmečiais fizikai ją svarstė kvantinio lauko teorijos kontekste, kur vakuuminė energija gali prisidėti prie pačios erdvės energijos tankio. Visgi iki XX a. pabaigos nebuvo svaraus stebėjimo pagrindo manyti, kad Visatos plėtimasis spartėja. Todėl Λ išliko labiau intriguojanti galimybė nei tvirtai įrodytas reiškinys.
2. Įrodymai iš Ia tipo supernovų
2.1 Spartėjanti Visata (XX a. dešimtasis dešimtmetis)
XX a. dešimtojo dešimtmečio pabaigoje dvi nepriklausomos grupės — High-Z Supernova Search Team ir Supernova Cosmology Project — matavo tolimų Ia tipo supernovų atstumus. Šios supernovos laikomos „standartinėmis žvakėmis“ (tiksliau, standartizuojamosiomis žvakėmis), kadangi jų vidinę šviesos galią galima nustatyti pagal šviesos kreives.
Mokslininkai tikėjosi, kad Visatos plėtimasis lėtėja veikiamas gravitacijos. Tačiau paaiškėjo, jog tolimos supernovos yra blankesnės nei tikėtasi — vadinasi, jos yra toliau, nei prognozavo lėtėjimo modelis. Stulbinanti išvada: Visatos plėtimasis spartėja [2, 3].
Pagrindinė išvada: Turi egzistuoti atstūmimą primenanti „antigravitacinė“ jėga, kuri įveikia kosminį lėtėjimą — šiandien plačiai vadinama tamsiąja energija.
2.2 Nobelio premijos pripažinimas
Šie atradimai, pakeitę mūsų supratimą apie Visatą, lėmė, kad 2011 m. Nobelio fizikos premija buvo skirta Saului Perlmutteriui, Brianui Schmidtui ir Adamui Riessui už spartėjančios Visatos atradimą. Taip tamsioji energija per gana trumpą laiką iš teorinės hipotezės tapo esminiu kosmologinio modelio komponentu.
3. Papildomi metodai: KMF ir stambioji struktūra
3.1 Kosminis mikrobangų fonas (KMF)
Netrukus po supernovų atradimo oro balionų eksperimentai, tokie kaip BOOMERanG ir MAXIMA, o vėliau palydovinės misijos WMAP ir Planck, pateikė itin tikslius kosminio mikrobangų fono (KMF) matavimus. Šių stebėjimų duomenys rodo, jog Visata yra beveik erdviškai plokščia, t. y. bendras energijos tankio parametras Ω ≈ 1. Tačiau tiek barioninė, tiek tamsioji medžiaga tesudaro apie Ωm ≈ 0.3.
Implikacija: Kad Ωtotal = 1, dar turi būti komponentas, užpildantis likusią dalį — tamsioji energija, sudaranti apie ΩΛ ≈ 0.7 [4, 5].
3.2 Barioninės akustinės osciliacijos (BAO)
Barioninės akustinės osciliacijos (BAO) galaktikų pasiskirstyme yra dar vienas nepriklausomas Visatos plėtimosi tyrimų metodas. Lyginant stebėtą šių „garso bangų“ mastelį stambiojoje struktūroje prie skirtingų raudonųjų poslinkių, astronomai gali atkurti, kaip plėtimasis kito laikui bėgant. Tokie didelių apimčių dangaus tyrimai kaip SDSS (Sloan Digital Sky Survey) ir eBOSS patvirtina supernovų ir KMF išvadas: Visatoje dominuoja tamsioji energija, skatinanti vėlyvojo laikotarpio spartėjantį plėtimąsi [6].
4. Tamsiosios energijos prigimtis: ΛCDM ir alternatyvos
4.1 Kosmologinė konstanta
Paprasčiausias tamsiosios energijos modelis yra kosmologinė konstanta Λ. Šiame modelyje tamsioji energija yra nekintantis energijos tankis, užpildantis visą erdvę. Tai lemia būsenos lygties parametrą w = p/ρ = −1, kur p — slėgis, o ρ — energijos tankis. Toks komponentas natūraliai sukelia spartėjantį plėtimąsi. ΛCDM modelis (Lambda Cold Dark Matter) yra vyraujantis kosmologinis modelis, kuriame derinama ir tamsioji materija (CDM), ir tamsioji energija (Λ).
4.2 Dinaminė tamsioji energija
Nepaisant sėkmės, Λ kelia ir nemažai teorinių sunkumų, ypač kosmologinės konstantos problemą, kai kvantinio lauko teorija prognozuoja daug didesnį vakuuminės energijos tankį nei stebime. Tai paskatino svarstyti alternatyvias teorijas:
- Kvintesencija (Quintessence): lėtai riedantis skaliarinis laukas, kurio energijos tankis kinta laikui bėgant.
- Fantominė energija (Phantom Energy): laukas, kurio w < −1.
- k-esencija (k-essence): kvintesencijos apibendrinimas su nekanoniniais kinetiniais nariais.
4.3 Modifikuota gravitacija
Kai kurie mokslininkai, užuot pripažinę naują energijos komponentą, siūlo modifikuoti gravitaciją stambiais mastais, pavyzdžiui, taikant f(R) teorijas, DGP branų modelius ar kitus Bendrosios reliatyvumo teorijos išplėtimus. Nors tokie modeliai kartais sugeba imituoti tamsiosios energijos efektą, jie privalo atitikti ir griežtus gravitacijos tyrimus lokaliu mastu bei duomenis apie struktūrų formavimąsi, gravitacinį lęšiavimą ir kitus stebėjimus.
5. Stebėjimų nesutapimai ir dabartinės diskusijos
5.1 Hablo konstantos įtampa
Tobulėjant Hablo konstantos (H0) matavimo metodams, išryškėjo nesutapimas. Remiantis Planck palydovo duomenimis (ekstrapoliuojant iš KMF pagal ΛCDM), H0 ≈ 67,4 ± 0,5 km s−1 Mpc−1, o vietinių (angl. distance ladder) matavimų metodais (pvz., SH0ES projektas) randama H0 ≈ 73. Šis maždaug 5σ neatitikimas gali rodyti naują fiziką tamsiosios energijos sektoriuje arba kitus niuansus, neįtrauktus į standartinį modelį [7].
5.2 Kosminis šlyties efektas ir struktūrų augimas
Silpnojo gravitacinio lęšiavimo (angl. weak lensing) tyrimai, skirti stambiajai Visatos struktūrai tirti, kartais rodo nedidelius nukrypimus nuo ΛCDM prognozių, gautų iš KMF parametrų. Nors šie nukrypimai ne tokie ryškūs kaip Hablo konstantos įtampa, jie visgi skatina svarstymus apie galimą tamsiosios energijos ar neutrinų fizikos korekciją bei apie duomenų analizės sistematiką.
6. Ateities perspektyvos ir eksperimentai
6.1 Būsimieji kosminiai projektai
Euclid (ESA): skirtas atlikti plataus masto galaktikų formų ir spektrų matavimus, siekiant geriau apriboti tamsiosios energijos būsenos lygtį ir stambiosios struktūros formavimąsi.
Nancy Grace Roman kosminis teleskopas (NASA): vykdys plataus lauko vaizdinimą ir spektroskopiją, tyrinėdamas BAO ir silpnąjį gravitacinį lęšiavimą su precedento neturinčiu tikslumu.
6.2 Antžeminiai tyrimai
Vera C. Rubin observatorija (Legacy Survey of Space and Time, LSST): sudarys milijardų galaktikų žemėlapį, matuos silpnojo lęšiavimo signalus ir supernovų rodiklius iki neregėto gylio.
DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument): fiksuos itin tikslius milijonų galaktikų ir kvazarų raudonųjų poslinkių matavimus.
6.3 Teoriniai lūžiai
Fizikai toliau gilina tamsiosios energijos modelius — ypač kvintesencijos tipo teorijas, kurios leidžia kintantį w(z). Mėginimai sujungti gravitaciją ir kvantinę mechaniką (stygų teorija, kilpinė kvantinė gravitacija ir kt.) gali padėti geriau suprasti vakuuminę energiją. Bet koks neabejotinas nukrypimas nuo w = −1 taptų didžiuliu atradimu, liudijančiu išties naujus fundamentalius fizikos dėsnius.
7. Baigiamosios mintys
Daugiau nei 70% Visatos energijos, atrodo, sudaro tamsioji energija, tačiau kol kas neturime galutinio atsakymo, kas tai yra. Nuo Einsteino kosmologinės konstantos iki stulbinančių 1998 m. supernovų rezultatų ir nuolatinių tikslių kosminės struktūros matavimų — tamsioji energija tapo esmine XXI a. kosmologijos dalimi ir potencialia prieiga prie revoliucinės fizikos atradimų.
Pastangos suprasti tamsiąją energiją puikiai iliustruoja, kaip naujausių stebėjimų tikslumas ir teorinė įžvalga susipina. Kai tik naujieji teleskopai ir eksperimentai pradės teikti dar išsamesnius duomenis — nuo vis tolimesnių supernovų iki detalių galaktikų žemėlapių ir ypač tikslių KMF matavimų — mokslas atsidurs naujų, reikšmingų atradimų slenksčio. Nesvarbu, ar atsakymas bus paprasta kosmologinė konstanta, dinaminis skaliarinis laukas ar modifikuota gravitacija, išsprendus tamsiosios energijos mįslę, mūsų Visatos ir pamatinio erdvėlaikio prigimties suvokimas negrįžtamai pasikeis.
Nuorodos ir platesnis skaitymas
Einstein, A. (1917). “Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie.” Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften, 142–152.
Riess, A. G., et al. (1998). “Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant.” The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
Perlmutter, S., et al. (1999). “Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae.” The Astrophysical Journal, 517, 565–586.
de Bernardis, P., et al. (2000). “A Flat Universe from High-Resolution Maps of the Cosmic Microwave Background Radiation.” Nature, 404, 955–959.
Spergel, D. N., et al. (2003). “First-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Determination of Cosmological Parameters.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 148, 175–194.
Eisenstein, D. J., et al. (2005). “Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies.” The Astrophysical Journal, 633, 560–574.
Riess, A. G., et al. (2019). “Large Magellanic Cloud Cepheid Standards Provide a 1% Foundation for the Determination of the Hubble Constant and Stronger Evidence for Physics beyond ΛCDM.” The Astrophysical Journal, 876, 85.
Papildomi šaltiniai
Frieman, J. A., Turner, M. S., & Huterer, D. (2008). “Dark Energy and the Accelerating Universe.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 46, 385–432.
Weinberg, S. (1989). “The Cosmological Constant Problem.” Reviews of Modern Physics, 61, 1–23.
Carroll, S. M. (2001). “The Cosmological Constant.” Living Reviews in Relativity, 4, 1.
Nuo kosminio mikrobangų fono matavimų iki Ia tipo supernovų stebėjimų ir galaktikų raudonųjų poslinkių katalogų gausu įrodymų, kad egzistuoja tamsioji energija. Visgi esminiai klausimai — pavyzdžiui, jos kilmė, ar ji iš tiesų pastovi ir kaip ji dera su kvantine gravitacijos teorija — išlieka neatsakyti. Šių mįslių išsprendimas galėtų atverti naujus kelius teorinėje fizikoje bei suteikti gilesnį Visatos supratimą.