Mi az a sötét energia – és miért uralja az univerzumot?

A fizika legnagyobb rejtélye

Valami szétfeszíti az univerzumot – és győz. A kozmoszban található összes energia és anyag körülbelül 70%-át egy rejtélyes erő, a sötét energia teszi ki. Nem látható, nem tapintható és közvetlenül nem mérhető, mégis mindenhol ott vannak a nyomai. Nélküle a csillagok, galaxisok és ürességek, amelyeket a tudósok megfigyelnek, értelmetlenek lennének.

Évtizedes kutatások ellenére a fizikusok még mindig nem tudják megmondani, hogy mi is valójában a sötét energia. Amit tudnak, az az, hogy ez hajtja az univerzum gyorsuló tágulását, egy olyan megdöbbentő felfedezést, amelyért 2011-ben fizikai Nobel-díjat kaptak.

Hogyan fedezték fel a sötét energiát?

A történet 1998-ban kezdődik, amikor két független csillagászcsoport távoli Ia típusú szupernóvákat tanulmányozott – olyan csillagrobbanásokat, amelyek fényessége elég jól előre jelezhető ahhoz, hogy kozmikus mérföldkövekként szolgáljanak. A csapatok arra számítottak, hogy az univerzum tágulása lelassul, amelyet a gravitáció visszahúz. Ehelyett a szupernóvák halványabbnak tűntek a vártnál, ami azt jelenti, hogy távolabb voltak a vártnál. Az univerzum nem csak tágult – gyorsult.

Adam Riess, Saul Perlmutter és Brian Schmidt csillagászok vezették a munkát. Ugyanebben az évben Michael Turner, a Chicagói Egyetem asztrofizikusa egy ausztráliai fizikai találkozón alkotta meg a „sötét energia” kifejezést. A név megmaradt, bár olyasmit ír le, amit a tudósok alig értenek.

Mit gondolnak a tudósok, mi lehet az?

Számos versengő elmélet próbálja megmagyarázni a sötét energiát:

• Vákuumenergia (kozmológiai állandó) – Maga az üres tér is hordoz egy rögzített mennyiségű energiát, egy olyan koncepciót, amelyet Albert Einstein eredetileg javasolt. A kvantumelmélet azonban több mint 100 nagyságrenddel nagyobb értéket jósol, mint amit megfigyeltek, ami a fizika egyik legnagyobb kínos helyzetét teremti meg.
• Kvintesszencia – Egy dinamikus energiamező, amely áthatja az univerzumot, és idővel fokozatosan változhat, ellentétben egy rögzített állandóval.
• Módosított gravitáció – Talán Einstein általános relativitáselmélete hiányos, és a látszólagos gyorsulás az elmélet hibájából ered, nem pedig egy új erőből.

„Nem tudjuk, mi a fundamentális természete” – mondta Turner. „A vákuum kvantumenergiája? Egy skalármező? Valami más, amiről még nem is álmodtunk?”

Hogyan keresnek a tudósok válaszokat?

Mivel a sötét energia közvetlenül nem figyelhető meg, a kutatók az univerzum nagyléptékű szerkezetére gyakorolt hatásait tanulmányozzák. A fő megközelítések a következők:

• Szupernóva-felmérések – A robbanó csillagok fényességének és távolságának mérése annak nyomon követésére, hogy a tágulási ráta hogyan változott az elmúlt milliárd években.
• Galaxis-feltérképezés – Millió galaxis helyzetének feltérképezése a korai univerzumban rögzített mintázatok – úgynevezett barion akusztikus oszcillációk – észlelésére. Ezek a mintázatok kozmikus vonalzóként működnek.
• Gravitációs lencsézés – A hatalmas struktúrák által a távoli galaxisokból érkező fény meghajlításának tanulmányozása, feltárva az anyag eloszlását és a tér geometriáját.

Az arizonai teleszkópra szerelt Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) nemrég fejezte be ötéves felmérését, amely több mint 47 millió galaxist és kvazárt térképezett fel – hatszor annyi objektumot, mint az összes korábbi felmérés együttvéve. A korai eredmények arra utalnak, hogy a sötét energia nem feltétlenül állandó, hanem idővel változhat, ami, ha megerősítést nyer, átalakítaná a kozmológiát.

A közelgő projektek, mint például a NASA Nancy Grace Roman űrtávcsöve és a földi Vera C. Rubin Obszervatórium tovább fogják tolni a megfigyeléseket, és több milliárd galaxist fognak feltérképezni, hogy szigorítsák a sötét energia viselkedésére vonatkozó korlátokat.

Miért fontos ez?

A sötét energia nem csak a tankönyveket tölti meg – ez határozza meg az univerzum sorsát. Ha állandó marad, a kozmosz örökké tágulni fog, a galaxisok eltávolodnak egymástól, és az univerzum több billió év alatt hideg és sötét lesz. Ha a sötét energia erősödik, végül szétszakíthatja a galaxisokat, a csillagokat és még az atomokat is egy „Nagy Szakadásnak” nevezett forgatókönyvben. Ha gyengül, a gravitáció egy napon visszahúzhat mindent.

A sötét energia megértése ezért nem csak egy rejtvény megoldásáról szól. Arról szól, hogy megtudjuk, hogyan kezdődött az univerzum, hogyan fejlődik, és hogyan ér véget. Egyelőre a fizika legnagyobb kérdésére a válasz továbbra is az: még nem tudjuk.