Ciemna energia wydaje się słabnąć

Nasze najlepsze teorie dotyczące funkcjonowania Wszechświata wskazują, że ciemna energia powoduje jego coraz szybszą ekspansję. Jednak nowe obserwacje sugerują, że ciemna energia, uważana za stałą kosmologiczną, zmieniała się w czasie i w przeszłości oddziaływała silniej niż obecnie.

Nowe badanie wykorzystujące dane zebrane przez Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) sugeruje potencjalne nieścisłości w standardowym modelu kosmologicznym, znanym jako ΛCDM (Lambda-CMD). Jeśli się potwierdzą, odkrycia te mogą fundamentalnie zmienić nasze rozumienie Wszechświata.

Ciemna energia, tajemnicza siła przyspieszająca ekspansję Wszechświata, nie zawsze z taką samą siłą napędzała rozszerzanie się kosmosu, jak zakładali naukowcy przez dziesięciolecia. Najnowsze dane sugerują, że ekspansja Wszechświata była w przeszłości silniejsza, niż dzieje się to teraz. W prezentacjach na Global Physics Summit American Physical Society oraz w serii publikacji on-line (DESI Data) naukowcy wskazali, że ciemna energia, uważana za stałą kosmologiczną, zmieniała się w czasie.

Model Lambda-CDM

Kilka dekad temu naukowcy badający pewien rodzaj eksplozji supernowej w odległych galaktykach obliczyli, że ekspansja Wszechświata zapoczątkowana przez Wielki Wybuch nie zwalniała z powodu przyciągania grawitacyjnego, jak oczekiwano, ale przyspieszała. Z czasem naukowcy wysunęli koncepcję, że normalna materia i niewidzialna zimna ciemna materia (CDM – cold dark matter), która grawitacyjnie przyciąga normalną materię do galaktyk i utrzymuje je razem, są połączone energią tła, a ta popycha ją wbrew grawitacji. Ta energia została nazwana ciemną energią.

Uważa się, że ciemna materia utrzymuje galaktyki razem i działa jak klej spajający je. Natomiast ciemna energia, jak sądzą badacze, reprezentowana przez stałą kosmologiczną (Λ- lambda), przyspiesza ekspansję Wszechświata, utrzymując stałą gęstość energii w czasie. To podstawowe założenia modelu Lambda-CDM – jednego z najpopularniejszych modeli kosmologicznych.

Model ten stanowi podstawę współczesnej kosmologii, skutecznie opisując wielkoskalowe struktury we Wszechświecie. Zakłada on, że 95 proc. kosmosu składa się z ciemnej materii i ciemnej energii — tajemniczych substancji, których natura pozostaje nieznana. Tylko 5 proc. Wszechświata składa się ze zwykłej materii. To tzw. materia barionowa.

Istnienie ciemnej materii oraz ciemnej energii jest wnioskowane pośrednio, bo te hipotetyczne substancje są niewidoczne, nie emitują i nie odbijają promieniowania elektromagnetycznego, dlatego bardzo trudno je wykryć. Ale ich istnienie zdradzają wywierane efekty grawitacyjne, przynajmniej w ten sposób naukowcy tłumaczą anomalie w rotacji galaktyk i ruchu galaktyk w gromadach. Widzialnej materii jest zbyt mało, aby można było wytłumaczyć zachodzące w tych przypadkach efekty.

Odchylenia od modelu

Nowe ustalenia opierają się na danych zebranych przez DESI. To międzynarodowy projekt, w którym uczestniczy ponad 900 naukowców z całego świata. To jeden z wielkoskalowych przeglądów nieba, którego celem jest zmapowanie 40 milionów galaktyk i stworzenie największej i zawierającej najdokładniejsze pomiary trójwymiarowej mapy kosmosu. DESI jest częścią Teleskopu Mayalla o średnicy zwierciadła wynoszącej 4 metry i znajduje się na szczycie Kitt Peak w Arizonie. Instrument umożliwia badanie historii ekspansji Wszechświata i tajemniczej ciemnej energii.

Mapa tworzona przez DESI ujawnia tzw. barionowe oscylacje akustyczne (baryon acoustic oscillations – BAOs). W 1970 roku późniejszy laureat Nagrody Nobla Jim Peebles opisał pewne zjawisko, wysuwając teorię, zgodnie z którą, w momencie, kiedy istniał jeszcze pierwotny Wszechświat, tworząca się grawitacja oraz promieniowanie przyczyniły się do powstania fal dźwiękowych nazwanych właśnie barionowymi oscylacjami akustycznymi. Na tamtym etapie istnienia Wszechświat był wypełniony gorącą, gęstą plazmą. Oddziaływania grawitacyjne oraz ciśnienie promieniowania wytworzyły swego rodzaju bąble – sferyczne fale akustyczne, które przemieszczały się przez plazmę.

Około 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu, Wszechświat ostygł już na tyle, że proces ten się zatrzymał. Dotychczasowe bąble również się zatrzymały i uległy „zamrożeniu”, jako obszary o większej gęstości tworzącej się materii. Wszechświat jednak nie pozostał statyczny, a zaczął się rozszerzać. A wraz z nim również i bąble. Astronomowie po raz pierwszy natrafili na ślad BAO w roku 2005, przy okazji analizowania danych dotyczących okolicznych galaktyk.

W pierwszym roku swojej działalności DESI wykorzystał blisko sześć milionów galaktyk i kwazarów do pomiaru wielkości BAO i oszacowania szybkości rozszerzania się Wszechświata, wielkości znanej jako stała Hubble’a. BAO wykorzystuje się także do ograniczania gęstości ciemnej materii i ciemnej energii.

Dane z pierwszego roku obserwacji, opublikowany w zeszłym roku, zasugerowały pewne zróżnicowanie ciemnej energii. Nowe badania, szczegółowo opisujące obserwacje ponad 15 milionów galaktyk w ciągu trzech lat pracy DESI wskazały, że generalnie BAO zgadzają się z modelem lambda-CDM, ale tylko gdy obejmują środkowe lata historii kosmosu. Kiedy zespół dodał zestawy danych obejmujących inne epoki i połączył dane z DESI z innymi pomiarami, takimi jak eksplozje supernowych czy mapy mikrofalowego promieniowania tła, zespół naukowców doszedł do wniosku, że ciemna energia mogła się zmieniać w czasie.

Ciemna energia słabnie

Wyniki najnowszej analizy danych z DESI sugerują, że ekspansja kosmiczna przyspiesza teraz słabiej, niż w przeszłości, co nie pasuje do założenia, że ​​ciemna energia jest stałą kosmologiczną. Dane wskazują, że gęstość jej energii, czyli ilość ciemnej energii na metr sześcienny przestrzeni kosmicznej jest obecnie o około 10 proc. niższy niż 4,5 miliarda lat temu. Wskazują także, że ciemna energia osiągnęła szczyt siły, gdy Wszechświat miał około 70 proc. swojego obecnego wieku.

– To, co widzimy, jest głęboko intrygujące – powiedziała Alexie Leauthaud-Harnett, rzeczniczka DESI. – Możemy być na progu wielkiego odkrycia dotyczącego ciemnej energii i fundamentalnej natury naszego Wszechświata – dodała.

– Kiedy połączymy wszystkie dane kosmologiczne, okazuje się, że ekspansja Wszechświata przyspieszała w nieco szybszym tempie około siedmiu miliardów lat temu – powiedział Arnaud de Mattia, francuski fizyk zaangażowany w analizę danych DESI.

Jednak na razie nie ma absolutnej pewności co do ustaleń badaczy. Potrzeba więcej danych, aby potwierdzić te wyniki. Odkrycie nadal nie spełnia statystycznego poziomu pięciu sigma, który oznaczałby, że nie jest statystyczną fluktuacją. Obecna analiza osiąga maksymalnie 4,2 sigma, ale członek zespołu Mustapha Ishak-Boushaki z University of Texas w Dallas przyznał, że w miarę jak DESI będzie zbierać dane, wynik powinien osiągnąć pięć sigma w ciągu dwóch lat.

Ishak-Boushaki wskazał również, że odkrycie to nie opiera się wyłącznie na danych z DESI. Badacze z innego projektu o nazwie Dark Energy Survey (DES) ogłosili kilka dni temu, że uzyskali podobne wyniki.

Na nowe dane z DESI z kolejnych dwóch lat trzeba będzie jeszcze poczekać, ale inne instrumenty ukierunkowane na ciemną energię wkrótce dostarczą swoje zestawy danych, w tym europejski teleskop kosmiczny Euclid, Obserwatorium Very C. Rubin czy Nancy Grace Roman Space Telescop.

Źródło: Science, New Scientist, NOIRLab, Nature, fot. DESI Collaboration/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor