Co je temná energie – a proč vládne vesmíru

Největší záhada ve fyzice

Něco tlačí vesmír od sebe – a vítězí. Zhruba 70 % veškeré energie a hmoty v kosmu tvoří tajemná síla zvaná temná energie. Nelze ji vidět, dotknout se jí ani ji přímo měřit, přesto jsou její otisky všude. Bez ní by hvězdy, galaxie a prázdnoty, které vědci pozorují, nedávaly smysl.

Navzdory desetiletím výzkumu fyzici stále nedokážou říct, co temná energie vlastně je. Co ale vědí, je, že pohání zrychlující se rozpínání vesmíru, objev, který byl tak překvapivý, že za něj byla v roce 2011 udělena Nobelova cena za fyziku.

Jak byla temná energie objevena

Příběh začíná v roce 1998, kdy dva nezávislé týmy astronomů studovaly vzdálené supernovy typu Ia – hvězdné exploze, jejichž jas je dostatečně předvídatelný, aby sloužil jako kosmické měřítko. Týmy očekávaly, že zjistí, že se rozpínání vesmíru zpomaluje, taženo zpět gravitací. Místo toho se supernovy zdály slabší, než se předpokládalo, což znamená, že byly dál, než se očekávalo. Vesmír se nejen rozpínal – on se zrychloval.

Práci vedli astronomové Adam Riess, Saul Perlmutter a Brian Schmidt. Téhož roku vytvořil astrofyzik z Chicagské univerzity Michael Turner na fyzikální konferenci v Austrálii termín „temná energie“. Název se ujal, i když popisuje něco, čemu vědci sotva rozumí.

Co si vědci myslí, že by to mohlo být

Několik konkurenčních teorií se pokouší vysvětlit temnou energii:

• Energie vakua (kosmologická konstanta) – Prázdný prostor sám o sobě nese pevné množství energie, což je koncept, který původně navrhl Albert Einstein. Kvantová teorie však předpovídá hodnotu o více než 100 řádů větší, než je pozorována, což vytváří jeden z největších rozpaků fyziky.
• Kvintesence – Dynamické energetické pole, které prostupuje vesmírem a může se postupně měnit v čase, na rozdíl od pevné konstanty.
• Modifikovaná gravitace – Možná je Einsteinova obecná teorie relativity neúplná a zdánlivé zrychlení pramení z chyby v teorii spíše než z nové síly.

„Nevíme, jaká je její základní povaha,“ řekl Turner. „Je to kvantová energie prázdného prostoru? Je to skalární pole? Je to něco jiného, o čem se nám ani nesnilo?“

Jak vědci hledají odpovědi

Protože temnou energii nelze pozorovat přímo, vědci studují její účinky na rozsáhlou strukturu vesmíru. Mezi hlavní přístupy patří:

• Přehlídky supernov – Měření jasu a vzdálenosti explodujících hvězd, aby se sledovalo, jak se rychlost rozpínání měnila v průběhu miliard let.
• Mapování galaxií – Zaznamenávání poloh milionů galaxií za účelem detekce vzorců – nazývaných baryonové akustické oscilace – otištěných v raném vesmíru. Tyto vzorce fungují jako kosmické pravítko.
• Gravitační čočka – Studium toho, jak masivní struktury ohýbají světlo ze vzdálených galaxií, což odhaluje rozložení hmoty a geometrii prostoru.

Spektroskopický přístroj pro temnou energii (DESI), namontovaný na teleskopu v Arizoně, nedávno dokončil svůj pětiletý průzkum, který zmapoval přes 47 milionů galaxií a kvazarů – šestkrát více objektů než všechny předchozí průzkumy dohromady. Jeho rané výsledky naznačují, že temná energie nemusí být konstantní, ale mohla by se v průběhu času vyvíjet, což je zjištění, které by v případě potvrzení přetvořilo kosmologii.

Nadcházející projekty, jako je Vesmírný teleskop Nancy Grace Romanové od NASA a pozemní Observatoř Very C. Rubinové, posunou pozorování dále a zmapují miliardy dalších galaxií, aby zpřesnily omezení chování temné energie.

Proč na tom záleží

Temná energie neplní jen učebnice – určuje osud vesmíru. Pokud zůstane konstantní, vesmír se bude rozpínat navždy, galaxie se budou od sebe vzdalovat a vesmír bude v průběhu bilionů let chladnout a tmavnout. Pokud temná energie zesílí, mohla by nakonec roztrhat galaxie, hvězdy a dokonce i atomy ve scénáři zvaném „Velký roztrh“. Pokud zeslábne, gravitace by mohla jednoho dne všechno stáhnout zpět k sobě.

Pochopení temné energie tedy není jen o vyřešení hádanky. Jde o to, dozvědět se, jak vesmír vznikl, jak se vyvíjí a jak skončí. Prozatím odpověď na největší otázku fyziky zůstává: zatím nevíme.