Kusząca „wskazówka”, że astronomowie źle zrozumieli ciemną energię

Zdjęcie: Fiske Planetarium, Uniwersytet Kolorado w Boulder i współpraca Desi

W czwartek astronomowie prowadzący, jak to określają, największe i najdokładniejsze badanie w historii Wszechświata, ogłosili, że mogli odkryć poważny błąd w swoim rozumieniu ciemnej energii, tajemniczej siły przyspieszającej ekspansję Wszechświata i Kosmosu. Zakładano, że ciemna energia jest stałą siłą we wszechświecie, zarówno obecnie, jak i w całej historii kosmosu. Jednak nowe dane sugerują, że może to być bardziej zmienne, z czasem rosnąć lub słabnąć, odwracać się lub nawet zanikać. 

„Jak powiedziałby Biden, jest to BFD” – powiedział Adam Riess, astronom z Johns Hopkins University i Space Telescope Science Institute w Baltimore. Podzielił się Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2011 r. z dwoma innymi astronomami za odkrycie ciemnej energii, ale nie był zaangażowany w to nowe badanie. „To może być pierwsza od 25 lat prawdziwa wskazówka, jaką uzyskaliśmy na temat natury ciemnej energii” – powiedział. 

Wniosek ten, jeśli zostanie potwierdzony, może uwolnić astronomów – i resztę z nas – od długotrwałych, ponurych przepowiedni na temat ostatecznego losu wszechświata. Gdyby działanie ciemnej energii było stałe w czasie, ostatecznie odepchnęłoby wszystkie gwiazdy i galaktyki tak daleko od siebie, że nawet atomy zostałyby rozerwane, wysysając wszechświat z wszelkiego życia, światła, energii i myśli i skazując go na wieczny przypadek kosmicznych blah. Zamiast tego wydaje się, że ciemna energia jest w stanie zmienić kurs i skierować kosmos w stronę bogatszej przyszłości. 

Kluczowymi słowami są „może” i „mógłby”. Prawdopodobieństwo, że nowe odkrycie będzie statystycznym trafem, wynosi około jeden na 400, a stopień niepewności nazywany trzema sigma, który jest znacznie niższy od złotego standardu dla odkrycia zwanego pięcioma sigma: jedna szansa na 1,7 miliona. W historii fizyki nawet zdarzenia o wielkości pięciu sigma wyparowały, gdy pojawiło się więcej danych lub lepsze ich interpretacje. 

Wiadomość ta pojawia się w pierwszym raporcie z postępu prac, opublikowanym w formie serii artykułów, przez dużą międzynarodową współpracę zwaną Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Grupa właśnie rozpoczęła pięcioletnie wysiłki mające na celu stworzenie trójwymiarowej mapy pozycji i prędkości 40 milionów galaktyk na przestrzeni 11 miliardów lat czasu kosmicznego. Wstępna mapa, oparta na pierwszym roku obserwacji, obejmuje zaledwie sześć milionów galaktyk. Wyniki ogłoszono 4 kwietnia na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w Sacramento w Kalifornii oraz na konferencji Rencontres de Moriond we Włoszech. 

Współpraca Claire Lamman/DESI; 

Niestandardowy pakiet mapy kolorów firmy cmastro DESI wygenerowało największą w historii trójwymiarową mapę wszechświata. Ziemia jest przedstawiona w środku powiększonego fragmentu. 

„Jak dotąd widzimy podstawową zgodność z naszym najlepszym modelem wszechświata, ale widzimy także pewne potencjalnie interesujące różnice, które mogą wskazywać, że ciemna energia ewoluuje w czasie” – powiedział Michael Levi, dyrektor DESI oświadczenie wydane przez Lawrence Berkeley National Laboratory, który zarządza projektem. 

Zespół DESI nie spodziewał się, że tak szybko zacznie zarabiać pieniądze, powiedziała w wywiadzie Nathalie Palanque-Delabrouille, astrofizyk z laboratorium Lawrence Berkeley i rzeczniczka projektu. Wyniki pierwszego roku miały po prostu potwierdzić to, co już było wiadomo, powiedziała: „Myśleliśmy, że w zasadzie zatwierdzimy model standardowy”. 

Ale nieznane rzuciło się na nich. 

Kiedy naukowcy połączyli swoją mapę z innymi danymi kosmologicznymi, ze zdziwieniem odkryli, że nie do końca zgadza się ona z wiarygodnym standardowym modelem Wszechświata, który zakłada, że ​​ciemna energia jest stała i niezmienna. Zmienna ciemna energia lepiej pasuje do punktów danych. 

„To z pewnością coś więcej niż ciekawostka” – stwierdziła dr Palanque-Delabrouille. „Nazwałbym to wskazówką. Tak, to jeszcze nie dowód, ale jest interesujący”. 

Ale kosmolodzy traktują tę wskazówkę bardzo poważnie.Wendy Freedman, astrofizyk z Uniwersytetu w Chicago, która kierowała wysiłkami mającymi na celu zmierzenie ekspansji Wszechświata, pochwaliła nowe badanie jako „wspaniałe dane”. Wyniki, stwierdziła, „otwierają potencjał nowego okna na zrozumienie ciemnej energii, dominującego składnika Wszechświata, który pozostaje największą tajemnicą kosmologii. Całkiem ekscytujące. 

Michael Turner, emerytowany profesor na Uniwersytecie w Chicago, który ukuł termin „ciemna energia”, powiedział w e-mailu: „Chociaż łączenie zestawów danych jest trudne, a oto wczesne wyniki DESI, możliwy dowód na to, że ciemna energia nie jest stała to najlepsza wiadomość, jaką usłyszałem, odkąd kosmiczne przyspieszenie zostało mocno ugruntowane ponad 20 lat temu.  

NOIRLab/NSF/AURA/P. Współpraca Marenfelda i DESI 

Na artystycznej ilustracji światło kwazarów przechodzi przez międzygalaktyczne chmury gazowego wodoru. Światło dostarcza wskazówek na temat struktury odległego kosmosu. 

Ciemna energia pojawiła się w dyskusji w 1998 r., kiedy dwie konkurujące ze sobą grupy astronomów, w tym dr Riess, odkryły, że ekspansja Wszechświata raczej przyspiesza, a nie zwalnia, jak większość astronomów się spodziewała. Początkowe obserwacje zdawały się sugerować, że ta ciemna energia działa jak słynny czynnik krówkowy – oznaczony grecką literą Lambda – który Einstein umieścił w swoich równaniach, aby wyjaśnić, dlaczego Wszechświat nie zapadł się pod wpływem własnej grawitacji. Później nazwał to swoim najgorszym błędem. 

Być może jednak przemówił za wcześnie. Jak sformułował Einstein, lambda była właściwością samej przestrzeni: im więcej przestrzeni było w miarę rozszerzania się wszechświata, tym więcej było w nim ciemnej energii, która napierała coraz mocniej i ostatecznie prowadziła do niekontrolowanej, pozbawionej światła przyszłości. 

Ciemna energia zajęła swoje miejsce w standardowym modelu wszechświata znanym jako LCDM, składającym się z 70% ciemnej energii (Lambda), 25% zimnej ciemnej materii (zestaw wolno poruszających się egzotycznych cząstek) i 5% materii atomowej. Jak dotąd model ten został uszkodzony, ale nie złamany przez nowy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Ale co by było, gdyby ciemna energia nie była stała, jak zakładał model kosmologiczny? 

Chodzi o parametr zwany w , który jest miarą gęstości, czyli gwałtowności, ciemnej energii. W Einsteinowskiej wersji ciemnej energii liczba ta pozostaje stała i wynosi –1 przez całe życie wszechświata. Kosmolodzy wykorzystują tę wartość w swoich modelach od 25 lat. 

Ale ta wersja ciemnej energii jest po prostu najprostsza. „Dzięki DESI osiągnęliśmy precyzję, która pozwala nam wyjść poza ten prosty model” – powiedziała dr Palanque-Delabrouille – „i sprawdzić, czy gęstość ciemnej energii jest stała w czasie, czy też ulega pewnym wahaniom i ewolucji wraz z upływem czasu." 

Projekt DESI, nad którym pracowano 14 lat, miał na celu zbadanie stałości ciemnej energii poprzez pomiar szybkości rozszerzania się Wszechświata w różnych okresach w przeszłości. W tym celu naukowcy wyposażyli teleskop w Obserwatorium Narodowym Kitt Peak w 5000 detektorów światłowodowych, które mogły prowadzić spektroskopię na tak wielu galaktykach jednocześnie i sprawdzać, jak szybko oddalają się one od Ziemi. 

Autor: David Kirkby/desi Współpraca 

Animowany model 3D płaszczyzny ogniskowej DESI. Ruch 5000 robotów pozycjonujących jest skoordynowany tak, aby nie zderzały się one ze sobą. 

Jako miarę odległości badacze wykorzystali nierówności w kosmicznym rozkładzie galaktyk, znane jako barionowe oscylacje akustyczne. Te nierówności zostały odciśnięte w kosmosie przez fale dźwiękowe w gorącej plazmie, która wypełniła wszechświat, gdy miał on zaledwie 380 tys. lat. W tamtym czasie guzy miały średnicę pół miliona lat świetlnych. Teraz, 13,5 miliarda lat później, Wszechświat rozszerzył się tysiąckrotnie, a wybrzuszenia – które mają obecnie średnicę 500 milionów lat świetlnych – służą jako wygodne kosmiczne miarki. 

Naukowcy z DESI podzielili ostatnie 11 miliardów lat historii kosmosu na siedem okresów czasu. (Wszechświat ma 13,8 miliarda lat). Dla każdego z nich zmierzono rozmiar tych guzków oraz prędkość, z jaką znajdujące się w nich galaktyki oddalały się od nas i od siebie nawzajem. 

Kiedy naukowcy zebrali to wszystko w jedną całość, odkryli, że zwykłe założenie – stała ciemna energia – nie sprawdza się w opisie rozszerzania się Wszechświata. Galaktyki w trzech ostatnich epokach pojawiły się bliżej, niż powinny, co sugeruje, że ciemna energia może ewoluować w czasie. 

„I rzeczywiście widzimy wskazówkę, że właściwości ciemnej energii nie odpowiadają prostej stałej kosmologicznej”, ale zamiast tego mogą „mieć pewne odchylenia” – stwierdziła dr Palanque-Delabrouille. „I mamy coś takiego po raz pierwszy”. „Ale” – podkreśliła ponownie – „Nie nazwałabym tego jeszcze dowodem. Jest zbyt słaby.” 

Czas i więcej danych pokaże los ciemnej energii i przetestowanego w boju modelu wszechświata kosmologów 

„LCDM jest poddawany próbom precyzyjnych testów napływających ze wszystkich stron” – powiedział dr Turner. „I ma się dobrze. Kiedy jednak wszystko się zbierze, zaczyna się wydawać, że coś jest nie tak lub czegoś brakuje. Rzeczy nie pasują do siebie idealnie. A DESI jest najnowszym wskazaniem”.

Doktor Riess z Johns Hopkins, który już wcześniej zapoznał się z wynikami DESI, zauważył, że „wskazówka”, jeśli zostanie potwierdzona, może osłabić inne pomiary kosmologiczne, takie jak wiek czy rozmiar Wszechświata. „Ten wynik jest bardzo interesujący i powinniśmy go potraktować poważnie” – napisał w swoim e-mailu. „W przeciwnym razie po co przeprowadzalibyśmy te eksperymenty?”.