Nuotolinių supernovų stebėjimai ir mįslinga atstumianti jėga, varanti kosminę akceleraciją
Netikėtas posūkis kosminėje evoliucijoje
Didžiąją XX a. dalį kosmologai manė, kad Visatos plėtimasis, prasidėjęs per Didįjį Sprogimą, ilgainiui lėtėja dėl medžiagos gravitacinio traukimo. Centrinis klausimas buvo, ar Visata plėsis amžinai, ar galiausiai ims trauktis, priklausomai nuo bendro jos masės tankio. Tačiau 1998 m. du nepriklausomi tyrimų kolektyvai, tirdami Ia tipo supernovas dideliais poslinkiais, padarė stulbinamą atradimą: vietoj lėtėjimo kosminė plėtra spartėja. Šis netikėtas greitėjimas rodė naują energijos komponentę – tamsiąją energiją, kuri sudaro apie 68 % visos Visatos energijos.
Tamsiosios energijos buvimas iš esmės pakeitė mūsų kosminį pasaulėvaizdį. Ji rodo, kad dideliu mastu veikia atstumiantis efektas, nustelbiantis medžiagos gravitaciją, todėl plėtimasis greitėja. Paprasčiausias aiškinimas – kosmologinė konstanta (Λ), atspindinti vakuumo energiją erdvėlaikyje. Visgi kitos teorijos siūlo dinaminį skaliarinį lauką ar egzotišką fiziką. Nors galime išmatuoti tamsiosios energijos poveikį, jos esminė prigimtis išlieka viena didžiausių mįslių kosmologijoje, pabrėždama, kiek dar nežinome apie Visatos ateitį.
2. Spartėjimo įrodymai stebėjimuose
2.1 Ia tipo supernovos kaip standartiniai žibintai
Astronomai naudoja Ia tipo supernovas – sprogstančius baltiems nykštukams dvejetų sistemose – kaip „standartizuotus žibintus“. Jų didžiausias šviesis po kalibravimo gana pastovus, tad lygindami matomą ryškį su raudonuoju poslinkiu galime nustatyti kosminius atstumus ir plėtimosi istoriją. 1990-ųjų pabaigoje High-z Supernova Search Team (A. Riessas, B. Schmidtas) ir Supernova Cosmology Project (S. Perlmutteris) nustatė, kad tolimos supernovos (~z 0,5–0,8) atrodo blankesnės, nei tikėtasi, jei Visata lėtėtų ar būtų nusistovėjusi. Geriausiai tinka greitėjanti plėtra [1,2].
2.2 KMF ir stambių struktūrų tyrimai
Tolimesni WMAP ir Planck palydovų kosminio mikrobangiojo fono (KMF) anisotropijų duomenys nustatė tikslius kosminius parametrus, parodančius, kad visa medžiaga (tamsioji + barioninė) tesudaro ~31 % kritinio tankio, likusią dalį (~69 %) sudaro paslaptinga tamsioji energija arba „Λ“. Stambių struktūrų tyrimai (pvz., SDSS) stebėdami barioninius akustinius virpesius (BAO) atitinka greitėjančio plėtimosi hipotezę. Visi šie duomenys sutampa, kad ΛCDM modelyje apie 5 % medžiagos yra baryonai, ~26 % – tamsioji materija ir ~69 % – tamsioji energija [3,4].
2.3 Barioniniai akustiniai virpesiai ir struktūrų augimas
Barioniniai akustiniai virpesiai (BAO), stebimi galaktikų pasiskirstyme didelėse skalėse, veikia kaip „standartinis liniuotės mastas“, matuojant plėtrą skirtingu laiku. Jų modeliai rodo, kad per pastaruosius ~kelis mlrd. metų Visatos plėtimasis greitėja, todėl struktūrų augimas lėtesnis, nei tikėtumeisi vien iš materijos dominavimo. Visi skirtingi duomenų šaltiniai rodo tą pačią išvadą: yra spartinamoji dedamoji, įveikusi materijos stabdymą.
3. Kosmologinė konstanta: paprasčiausias paaiškinimas
3.1 Einšteino Λ ir vakuumo energija
Albertas Einšteinas 1917 m. įvedė kosmologinę konstantą Λ, norėdamas gauti statišką Visatą. Kai Hubble atrado, kad Visata plečiasi, Einšteinas atsižadėjo Λ, vadindamas ją „didžiausia klaida“. Paradoksalu, tačiau Λ sugrįžo kaip pagrindinė kandidatė į Spartėjimo šaltinį: vakuumo energiją, kurios būsenos lygtis p = -ρ c² sukuria neigiamą slėgį ir atstumiamą gravitacijos efektą. Jei Λ tikrai pastovi, Visata ateityje artės prie eksponentinės plėtros, nes materijos tankis taps nereikšmingas.
3.2 Dydis ir „Fine-tuning“ problema
Stebima tamsiosios energijos (Λ) tankio reikšmė yra ~ (10-12 GeV)4, o kvantinė laukų teorija prognozuotų daug didesnę vakuumo energiją. Ši kosmologinės konstantos problema klausia: kodėl matuojama Λ yra tokia menka, palyginti su Plancko mastelio prognozėmis? Bandant rasti, kas kompensuoja tą milžinišką kiekį, kol kas nerasta įtikinamo paaiškinimo. Tai vienas iš didžiausių fizikos „fine-tuning“ iššūkių.
4. Dinaminė tamsioji energija: kvintesencija ir alternatyvos
4.1 Kvintesenciniai laukai
Vietoj pastovios Λ kai kurie mokslininkai siūlo dinaminį skaliarinį lauką φ su potencialu V(φ), kintantį su laiku – neretai vadinamą „kvintesencija“. Jos būsenos lygtis w = p/ρ gali skirtis nuo -1 (kaip turėtų būti grynai kosmologinei konstantai). Stebėjimai rodo w ≈ -1 ± 0,05, dar palikdami galimybę nežymiam nukrypimui. Jei w kistų su laiku, tai galbūt sužinotume apie kitokį plėtimosi tempą ateityje. Tačiau jokių tvirtų laikinio kitimo požymių kol kas nematyti.
4.2 „Fantom“ energija ar k-esencija
Kai kurie modeliai leidžia w < -1 („fantom“ energija), lemiančią „Didįjį plyšimą“ (big rip), kada plėtra galiausiai išdrasko net atomus. Arba „k-esencija“ įveda nekonformines kinetikos narių formas. Tai spekuliatyvu, ir vertinant supernovas, BAO bei KMF duomenis, niekas kol kas neparodė ryškaus pranašumo prieš paprastą, beveik pastovią Λ.
4.3 Modifikuota gravitacija
Kitas požiūris – keisti bendrąjį reliatyvumą didelėse skalėse, o ne įvesti tamsiąją energiją. Pavyzdžiui, papildomos dimensijos, f(R) teorijos arba branų pasaulių modeliai gali sukurti akivaizdžią akceleraciją. Tačiau suderinti Saulės sistemos tikslumo testus su kosminiais duomenimis sunku. Iki šiol jokie bandymai akivaizdžiai nepralenkė paprastos Λ teorijos platesniame stebėjimų kontekste.
5. „Kodėl būtent dabar?“ klausimas ir sutapimo problema
5.1 Kosminis sutapimas
Tamsioji energija pradėjo dominuoti tik prieš kelis mlrd. metų – kodėl Visata greitėja būtent dabar, o ne anksčiau ar vėliau? Tai vadinama „sutapimo problema“, siūlanti, kad galbūt antropinis principas („protingi stebėtojai atsiranda ~tuo metu, kai materijos ir Λ dydžiai panašios eilės“) paaiškina šį sutapimą. Standartinis ΛCDM nesprendžia to savaime, bet priima kaip dalį antropinio konteksto.
5.2 Antropinis principas ir multi-visatos
Vieni aiškina, kad jei Λ būtų daug didesnė, struktūros nesuformuotųsi dar prieš akceleracijai sutrukdant medžiagos sankaupoms. Jei Λ būtų neigiama ar kitokia, susiklostytų kitokios evoliucijos salygos. Antropinis principas sako, kad stebime Λ būtent tokio dydžio, kuris leidžia susidaryti galaktikoms ir stebėtojams. Su multi-visatos idėjomis galima teigti, kad skirtingose „burbuluose“ (Visatose) galioja kitoks vakuumo energijos dydis, o mes atsidūrėme būtent šiame dėl palankių sąlygų.
6. Visatos ateities perspektyvos
6.1 Amžinas greitėjimas?
Jei tamsioji energija iš tiesų yra pastovi Λ, Visata ateityje patirs eksponentinį plėtimą. Galaktikos, kurios gravitaciškai nesurištos (nepriklausančios vietinei grupei), nutols už mūsų kosmologinio horizonto, ilgainiui „išnykdamos“ iš regėjimo lauko ir palikdamos mus „salinėje Visatoje“, kurioje teliks vietinės susijungusios galaktikos.
6.2 Kiti scenarijai
- Dinaminė kvintesencija: jei w > -1, plėtra bus lėtesnė nei eksponentinė, artima de Sitter būsenai, bet ne taip stipriai.
- Fantom energija (w < -1): Gali pasibaigti „Didžiuoju plyšimu“, kai plėtra peržengia net atomų tarpusavyje sukibtį. Dabartiniai duomenys kiek prieštarauja stipriam „fantomo“ scenarijui, bet neatmeta mažo w < -1.
- Vakuumo irimas: Jei vakuumas tik metastabilus, jis gali staiga pereiti į žemesnės energijos būseną – tai būtų lemtingas reiškinys fizikos kontekstui. Tačiau kol kas tai tik spekuliacijos.
7. Dabartiniai ir ateities tyrimai
7.1 Itin tikslūs kosmologiniai projektai
Tokie projektai kaip DES (Dark Energy Survey), eBOSS, Euclid (ESA) ar būsimoji Vera C. Rubin (LSST) observatorija tyrinės milijardus galaktikų, matuos plėtimosi istoriją per supernovas, BAO, silpnąjį lęšiavimą ir struktūrų augimą. Tikimasi nustatyti būsenos lygties parametrą w iki ~1 % tikslumo, siekiant patikrinti, ar jis tikrai lygus -1. Jei aptiks w nukrypimą, tai liudys apie dinaminę tamsiąją energiją.
7.2 Gravitacinės bangos ir daugiasignalė astronomija
Ateityje gravitacinių bangų aptikimas iš standartinių „sirenos“ (neutroninių žvaigždžių susiliejimų) leis savarankiškai matuoti kosminį atstumą ir plėtimąsi. Suderinus su elektromagnetiniais signalais, tai dar labiau patikslins tamsiosios energijos evoliuciją. Taip pat 21 cm spindulių matavimai kosminiu aušros laikotarpiu gali padėti ištirti plėtrą didesniais atstumais ir padidinti mūsų žinojimą apie tamsiosios energijos elgesį.
7.3 Teoriniai proveržiai?
Išspręsti kosmologinės konstantos problemą arba atrasti mikrofizikinį kvintesencijos pagrindą galbūt pavyks, jei tobulės kvantinės gravitacijos ar stygų teorijos perspektyvos. Taip pat nauji simetrijos principai (pvz., supersimetrija, kurios, deja, kol kas neaptikome LHC), ar antropiniai argumentai gali paaiškinti, kodėl tamsioji energija tokia maža. Jei būtų aptikta „tamsiosios energijos sužadinimų“ ar papildomos „penktoji jėga“, tai visiškai pakeistų mūsų suvokimą. Kol kas, deja, stebėjimų tam nepateikta.
8. Išvada
Tamsioji energija – viena iš pačių didžiausių mįslių kosmologijoje: atstumiančioji dedamoji, atsakinga už spartėjančią Visatos plėtrą, netikėtai aptiktą XX a. pabaigoje tiriant tolimas Ia tipo supernovas. Daugybė papildomų duomenų ( KMF, BAO, lęšiavimas, struktūros augimas) patvirtina, kad tamsioji energija sudaro ~68–70 % Visatos energijos, remiantis standartiniu ΛCDM modeliu. Paprasčiausias variantas – kosmologinė konstanta, bet ji kelia tokius iššūkius kaip kosmologinės konstantos problema bei „sutapimo“ klausimai.
Kitos idėjos (kvintesencija, modifikuota gravitacija, holografinė samprata) vis dar gana spekuliatyvios ir neturi tokio gerai patikrinto empirinio atitikimo kaip beveik stabili Λ. Tolesnės observatorijos – Euclid, LSST, Roman Space Telescope – per artimiausius metus gerokai patikslins mūsų žinias apie būsenos lygtį ir gali išaiškinti, ar spartėjimo greitis laikui bėgant nekinta, ar slypi užuominos apie naują fiziką. Išsiaiškinti, kas yra tamsioji energija, ne tik nulems Visatos likimą (ar amžinas plėtimasis, „didysis plyšimas“, ar kitokios baigtys), bet ir padės suprasti, kaip kvantiniai laukai, gravitacija ir pats erdvėlaikis dera tarpusavyje. Tad tamsiosios energijos mįslės sprendimas – kertinis žingsnis kosminėje detektyvo istorijoje, pasakojančioje, kaip Visata vystosi, išlieka ir galbūt galiausiai dingsta mūsų akiratyje, greitėjant kosminei plėtrai.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- 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.
- Planck Collaboration (2018). “Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
- Weinberg, S. (1989). “The cosmological constant problem.” Reviews of Modern Physics, 61, 1–23.
- Frieman, J. A., Turner, M. S., & Huterer, D. (2008). “Dark energy and the accelerating universe.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 46, 385–432.