Ciemna energia znów zaskakuje. Coś nie pasuje do naszego modelu Wszechświata

Ciemna energia może być bardziej zaskakująca niż wcześniej myślano. Największy jak dotąd katalog eksplodujących białych karłów ujawnił nowe wskazówki na temat ciemnej energii, tajemniczej siły powodującej przyspieszenie rozszerzania się wszechświata.

Astronomowie stworzyli największy dotąd katalog supernowych typu Ia. Zawiera on dane o 2884 takich eksplozjach i pozwala znacznie dokładniej odtworzyć historię rozszerzania się Wszechświata. Wyniki są zaskakujące, bo pojawiają się kolejne wskazówki, iż ciemna energia może zmieniać się w czasie.

Badanie przeprowadzili naukowcy z University of Queensland we współpracy z badaczami z wielu krajów. Zespół połączył obserwacje prowadzone przez około trzy dekady i poddał starsze dane ponownej analizie przy wykorzystaniu współczesnych metod.

Przebudowaliśmy 30 lat obserwacji astronomicznych w jeden spójny system. Połączyliśmy nasze dane z innymi pomiarami kosmicznymi, w tym z danymi dotyczącymi światła reliktowego z Wielkiego Wybuchu oraz mapami przedstawiającymi rozmieszczenie galaktyk w przestrzeni. Zamiast potwierdzać standardowy model kosmologii, który zakłada, iż ​​ciemna energia jest stała i niezmienna, mamy więcej dowodów na to, iż ciemna energia może zmieniać się w czasie – powiedział Ryan Camilleri z Uniwersytetu Queensland.

Wyniki badań opublikowano w serwisie arXiv.

Te gwiazdy pomagają mierzyć rozmiar Wszechświata

Supernowe typu Ia należą do najważniejszych narzędzi wykorzystywanych przez kosmologów do mierzenia odległości w kosmosie. To właśnie dzięki nim można sprawdzać, jak gwałtownie Wszechświat rozszerzał się w przeszłości i czy tempo tego procesu zmieniało się na przestrzeni miliardów lat.

Supernowa typu Ia powstaje w wyniku gwałtownej eksplozji białego karła. Nie jest to zwykły wybuch gwiazdy podobny do eksplozji masywnej gwiazdy pod koniec jej życia. Białe karły są pozostałościami po gwiazdach podobnych do Słońca i mogą w określonych warunkach doprowadzić do potężnej eksplozji termojądrowej.

Dla kosmologów najważniejsza jest jednak inna adekwatność tych obiektów. Supernowe typu Ia mają bardzo podobne charakterystyki jasności, dzięki czemu można wykorzystać je jako swego rodzaju kosmiczne latarnie. Astronomowie porównują obserwowaną jasność supernowej z tym, jak jasna powinna być w rzeczywistości, a następnie wyznaczają jej odległość.

Jednocześnie światło supernowej dostarcza informacji o przesunięciu ku czerwieni. Jest ono związane z rozszerzaniem się Wszechświata, im dalej znajduje się obserwowany obiekt, tym bardziej światło jest przesunięte w stronę czerwonej części widma.

Zestawienie odległości i przesunięcia ku czerwieni pozwala zbudować tzw. diagram Hubble’a i sprawdzić, jak zmieniało się tempo ekspansji kosmosu. To właśnie z takich pomiarów naukowcy mogą wyciągać wnioski dotyczące ciemnej energii.

2884 eksplozje i trzy dekady obserwacji

Nowy katalog obejmuje 2884 supernowe typu Ia. Jest to połączenie historycznych obserwacji z danymi uzyskanymi między innymi w ramach Dark Energy Survey, którego wyniki dotyczące supernowych opublikowano wcześniej.

Nie chodziło jednak o zwykłe zestawienie wszystkich dostępnych pomiarów. Starsze obserwacje zostały ponownie przeanalizowane z wykorzystaniem wiedzy, której astronomowie nabrali w ostatnich latach. Dzięki temu można było ograniczyć część różnic wynikających z tego, iż poszczególne teleskopy obserwowały niebo w odmienny sposób.

Światło docierające od supernowej do Ziemi może zostać zmienione po drodze. Wpływ ma między innymi pył znajdujący się w galaktykach, adekwatności galaktyki, w której eksplodował biały karzeł, a także soczewkowanie grawitacyjne. To ostatnie polega na zakrzywianiu i wzmacnianiu światła przez grawitację masywnych obiektów znajdujących się pomiędzy supernową a obserwatorem.

Uwzględnienie takich efektów ma ogromne znaczenie. jeżeli naukowcy chcą wykorzystywać supernowe do badania historii całego Wszechświata, muszą mieć pewność, iż różnice w obserwowanej jasności nie wynikają po prostu z niedoskonałości pomiarów albo adekwatności otoczenia supernowej.

Ciemna energia może jednak nie być stała

Obecny standardowy model kosmologiczny zakłada, iż ciemna energia ma stałe adekwatności. W najprostszym wariancie jest ona utożsamiana ze stałą kosmologiczną, czyli wielkością wprowadzaną do równań opisujących Wszechświat już przez Alberta Einsteina.

To właśnie ciemna energia ma odpowiadać za obserwowane przyspieszanie ekspansji kosmosu. Problem polega na tym, iż przez cały czas nie wiadomo, czym dokładnie jest.

Nowa analiza danych dotyczących supernowych nie dostarcza ostatecznego rozwiązania tej zagadki. Pokazuje jednak odchylenie od scenariusza, w którym ciemna energia pozostaje niezmienna. Według zespołu z University of Queensland dane dają dodatkowe podstawy do rozważania możliwości, iż jej adekwatności ewoluują wraz z upływem czasu.

Jeżeli ciemna energia rzeczywiście zmienia się w czasie, oznaczałoby to, iż najprostsza wersja obecnego modelu kosmologicznego jest niepełna. Naukowcy musieliby znaleźć nowe wyjaśnienie mechanizmu odpowiedzialnego za przyspieszanie ekspansji Wszechświata.

Wynik należy jednak interpretować ostrożnie. Astronomia coraz częściej dostarcza pomiarów wskazujących na możliwą ewolucję ciemnej energii, ale nie oznacza to jeszcze, iż standardowy model kosmologiczny został obalony.

Stawką jest coś więcej niż natura ciemnej energii

Ewentualne potwierdzenie zmienności ciemnej energii mogłoby wstrząsnąć światem nauki. Obecny opis Wszechświata opiera się na dwóch niezwykle skutecznych, ale wzajemnie trudnych do pogodzenia teoriach.

Ogólna teoria względności bardzo dobrze opisuje grawitację i zachowanie wielkich struktur kosmicznych. Mechanika kwantowa pozwala natomiast niezwykle dokładnie opisywać świat cząstek elementarnych. Problem zaczyna się wtedy, gdy trzeba stworzyć spójny opis rzeczywistości uwzględniający jednocześnie grawitację i zjawiska kwantowe.

Ciemna energia może być jednym z miejsc, w których obecny opis Wszechświata ujawnia swoje ograniczenia. o ile rzeczywiście nie jest stałą adekwatnością przestrzeni, ale zmienia się wraz z historią kosmosu, potrzebna może być zupełnie nowa fizyka.

Główna ilustracja: Artystyczna wizja eksplozji supernowej typu Ia. Źródło: AI