Czym jest ciemna energia – i dlaczego rządzi wszechświatem?

Największa zagadka fizyki

Coś rozpycha wszechświat – i wygrywa. Około 70% całej energii i materii we wszechświecie składa się z tajemniczej siły zwanej ciemną energią. Nie można jej zobaczyć, dotknąć ani bezpośrednio zmierzyć, a jednak jej ślady są wszędzie. Bez niej gwiazdy, galaktyki i pustki obserwowane przez naukowców nie miałyby sensu.

Pomimo dziesięcioleci badań, fizycy wciąż nie potrafią powiedzieć, czym właściwie jest ciemna energia. Wiedzą natomiast, że napędza ona przyspieszone rozszerzanie się wszechświata, odkrycie tak zaskakujące, że zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2011 roku.

Jak odkryto ciemną energię

Historia zaczyna się w 1998 roku, kiedy to dwa niezależne zespoły astronomów badały odległe supernowe typu Ia – gwiezdne eksplozje, których jasność jest na tyle przewidywalna, że mogą służyć jako kosmiczne linijki. Zespoły spodziewały się odkryć, że rozszerzanie się wszechświata zwalnia, hamowane przez grawitację. Zamiast tego supernowe wydawały się słabsze niż przewidywano, co oznaczało, że były dalej niż oczekiwano. Wszechświat nie tylko się rozszerzał – on przyspieszał.

Pracami kierowali astronomowie Adam Riess, Saul Perlmutter i Brian Schmidt. W tym samym roku astrofizyk z Uniwersytetu w Chicago, Michael Turner, ukuł termin „ciemna energia” na spotkaniu fizyków w Australii. Nazwa się przyjęła, mimo że opisuje coś, co naukowcy ledwo rozumieją.

Co naukowcy sądzą, że to może być

Kilka konkurujących ze sobą teorii próbuje wyjaśnić ciemną energię:

• Energia próżni (stała kosmologiczna) — Pusta przestrzeń sama w sobie niesie stałą ilość energii, koncepcja pierwotnie zaproponowana przez Alberta Einsteina. Jednak teoria kwantowa przewiduje wartość ponad 100 rzędów wielkości większą niż obserwowana, co stanowi jedno z największych zawstydzeń fizyki.
• Kwintesencja — Dynamiczne pole energii, które przenika wszechświat i może zmieniać się stopniowo w czasie, w przeciwieństwie do stałej.
• Zmodyfikowana grawitacja — Być może ogólna teoria względności Einsteina jest niekompletna, a pozorne przyspieszenie wynika z wady w teorii, a nie z nowej siły.

„Nie wiemy, jaka jest jej fundamentalna natura” – powiedział Turner. „Czy to energia kwantowa pustej przestrzeni? Czy to pole skalarne? Czy to coś innego, o czym nawet nie śniliśmy?”

Jak naukowcy szukają odpowiedzi

Ponieważ ciemnej energii nie można obserwować bezpośrednio, naukowcy badają jej wpływ na wielkoskalową strukturę wszechświata. Główne podejścia obejmują:

• Przeglądy supernowych — Pomiar jasności i odległości eksplodujących gwiazd w celu śledzenia, jak zmieniała się szybkość ekspansji na przestrzeni miliardów lat.
• Mapowanie galaktyk — Sporządzanie map pozycji milionów galaktyk w celu wykrycia wzorów – zwanych baryonowymi oscylacjami akustycznymi – odciśniętych we wczesnym wszechświecie. Wzory te działają jak kosmiczna linijka.
• Soczewkowanie grawitacyjne — Badanie, jak masywne struktury zakrzywiają światło z odległych galaktyk, ujawniając rozkład materii i geometrię przestrzeni.

Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), zamontowany na teleskopie w Arizonie, niedawno zakończył swoje pięcioletnie badania, mapując ponad 47 milionów galaktyk i kwazarów – sześć razy więcej obiektów niż wszystkie poprzednie badania razem wzięte. Jego wstępne wyniki sugerują, że ciemna energia może nie być stała, ale może ewoluować w czasie, co, jeśli zostanie potwierdzone, zmieniłoby kosmologię.

Nadchodzące projekty, takie jak Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman NASA i naziemne Obserwatorium Very C. Rubin, przesuną granice obserwacji, mapując miliardy kolejnych galaktyk, aby zawęzić ograniczenia dotyczące zachowania ciemnej energii.

Dlaczego to ma znaczenie

Ciemna energia nie tylko wypełnia podręczniki – ona determinuje los wszechświata. Jeśli pozostanie stała, wszechświat będzie rozszerzał się w nieskończoność, galaktyki będą się od siebie oddalać, a wszechświat stanie się zimny i ciemny w ciągu bilionów lat. Jeśli ciemna energia się wzmocni, może ostatecznie rozerwać galaktyki, gwiazdy, a nawet atomy w scenariuszu zwanym „Wielkim Rozdarciem”. Jeśli osłabnie, grawitacja może pewnego dnia wszystko z powrotem ściągnąć.

Zrozumienie ciemnej energii to zatem nie tylko rozwiązywanie zagadki. Chodzi o poznanie, jak powstał wszechświat, jak ewoluuje i jak się kończy. Na razie odpowiedź na największe pytanie fizyki pozostaje: jeszcze nie wiemy.