Czym jest ciemna energia i dlaczego przestrzeń kosmiczna przyspiesza?

Siła, która rządzi kosmosem

Wszystko, co możesz zobaczyć – każda gwiazda, planeta i galaktyka – stanowi mniej niż 5% wszechświata. Kolejne 27% to ciemna materia, niewidzialna substancja, która spaja galaktyki. Pozostałe 68% to coś jeszcze dziwniejszego: ciemna energia, tajemniczy wpływ, który rozpycha wszechświat z coraz większą prędkością.

W przeciwieństwie do grawitacji, która przyciąga obiekty do siebie, ciemna energia działa jak rodzaj antygrawitacji w skali kosmicznej. Nie skupia się w grudki, nie świeci i nie można jej zamknąć w butelce. A jednak rządzi ostatecznym losem wszystkiego, co istnieje.

Jak odkryto ciemną energię

W 1998 roku dwa niezależne zespoły astronomów – Supernova Cosmology Project i High-z Supernova Search Team – badały specjalną klasę wybuchających gwiazd zwanych supernowymi typu Ia. Te gwiezdne eksplozje osiągają mniej więcej tę samą szczytową jasność, co czyni je użytecznymi jako „świece standardowe” do pomiaru odległości kosmicznych.

Oba zespoły spodziewały się odkryć, że ekspansja wszechświata zwalnia pod wpływem grawitacji. Zamiast tego odkryli coś przeciwnego: odległe supernowe były słabsze niż przewidywano, co oznaczało, że galaktyki, w których się znajdowały, były dalej niż oczekiwano. Wszechświat nie tylko się rozszerzał – on przyspieszał. Odkrycie to przyniosło Saulowi Perlmutterowi, Brianowi Schmidtowi i Adamowi Riessowi Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2011 roku.

Wiodące teorie: stała czy zmienna?

Naukowcy mają dwa główne wyjaśnienia dotyczące ciemnej energii i nie zgadzają się co do kluczowej kwestii.

Stała kosmologiczna

Najprostszy pomysł sięga Alberta Einsteina. W 1917 roku dodał on do swoich równań ogólnej teorii względności termin zwany stałą kosmologiczną (Λ), aby utrzymać wszechświat w stanie statycznym. Później nazwał to swoim „największym błędem” po tym, jak Edwin Hubble pokazał, że wszechświat się rozszerza. Ale odkrycie z 1998 roku przywróciło Λ: zgrabnie opisuje ona stałą gęstość energii wplecioną w strukturę samej przestrzeni. Wraz z rozszerzaniem się przestrzeni pojawia się więcej tej energii próżni, nieustannie napędzając przyspieszenie.

Ewoluująca ciemna energia

Konkurencyjna idea zakłada, że ciemna energia nie jest stała, ale zmienia się w czasie – koncepcja, którą fizycy nazywają kwintesencją. W tym modelu przestrzeń przenika dynamiczne pole, a jego siła może wzrastać lub maleć wraz z wiekiem wszechświata. Najnowsze dane z Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) dolały oliwy do ognia tej debaty: jego pomiary baryonowych oscylacji akustycznych – fal dźwiękowych zamrożonych w rozkładzie galaktyk – sugerują, że ilość ciemnej energii może być obecnie o około 10% niższa niż 4,5 miliarda lat temu, według CERN Courier.

Dowody są kuszące, ale jeszcze nie rozstrzygające. Naukowcy podkreślają, że istotność statystyczna oscyluje między 2,8 a 4,2 sigma, w zależności od tego, które zbiory danych są łączone – znacznie poniżej progu 5 sigma, którego fizycy wymagają, aby ogłosić odkrycie.

Dlaczego to ma znaczenie dla losu wszechświata

Natura ciemnej energii determinuje, jak skończy się kosmos. Jeśli pozostanie stała, wszechświat będzie rozszerzał się w nieskończoność, a galaktyki poza naszą lokalną grupą ostatecznie oddalą się poza obserwowalny horyzont – powolne, zimne zanikanie znane jako Wielki Chłód. Jeśli ciemna energia wzmocni się z czasem, może ostatecznie rozerwać galaktyki, gwiazdy, a nawet atomy w katastrofalnym Wielkim Rozdarciu. Jeśli osłabnie, ekspansja może zwolnić lub nawet się odwrócić, prowadząc do Wielkiego Krachu.

Jak naukowcy szukają odpowiedzi

Nowa generacja instrumentów mapuje wszechświat z niespotykaną dotąd precyzją. Dark Energy Survey opublikował niedawno swoją ostateczną analizę sześciu lat danych zebranych z teleskopu w chilijskich Andach, katalogując 669 milionów galaktyk w ciągu 758 nocy obserwacji. Połączone wyniki podwoiły precyzję wcześniejszych ograniczeń dotyczących historii ekspansji wszechświata.

Tymczasem DESI kontynuuje budowę największej trójwymiarowej mapy kosmosu, a Vera C. Rubin Observatory – którego rozpoczęcie dziesięcioletniego przeglądu spodziewane jest wkrótce – będzie śledzić miliardy galaktyk, aby zmierzyć, jak struktury kosmiczne rosną pod wpływem przeciągania liny między grawitacją a ciemną energią. Misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej, wystrzelona w 2023 roku, prowadzi własny przegląd całego nieba z kosmosu.

Razem te projekty mogą w końcu ujawnić, czy ciemna energia jest niezmienną stałą Einsteina, czy czymś znacznie bardziej dynamicznym – a tym samym powiedzieć nam, jak kończy się historia wszechświata.