Energia întunecată ar putea să nu fie constantă până la urmă

O colaborare internațională a oamenilor de știință a creat cea mai mare hartă 3D a universului nostru de până acum, bazată pe primele rezultate de la Instrumentul spectroscopic al energiei întunecate (DESI). Este o realizare impresionantă, care urmează să vină mai multe, dar cea mai semnificativă descoperire provine din noile măsurători ale energiei întunecate ale colaborării. Aceste rezultate sunt aproximativ de acord cu modelul teoretic actual pentru energia întunecată, în care energia întunecată este constantă în timp. Dar există câteva indicii tentante că ar putea varia în timp, ceea ce ar necesita unele modificări la acel model predominant.

Desigur, acele indicii sunt încă sub pragul necesar pentru a revendica descoperirea și, prin urmare, se încadrează sub rubrica „uriaș, dacă este adevărat”. Va trebui să așteptăm mai multe date din măsurătorile continue de la DESI pentru a vedea dacă rezistă. Între timp, mai multe lucrări aprofundarea detaliilor tehnice din spatele acestor prime rezultate au fost postate pe arXiv și vor fi mai multe discuții prezentate la o întâlnire al Societății Americane de Fizică care va avea loc săptămâna aceasta la Sacramento, California, precum și la Rencontres de Moriond din Italia.

„Rezultatele noastre arată câteva abateri interesante de la modelul standard al universului care ar putea indica faptul că energia întunecată evoluează în timp.” spuse Mustapha Ishak-Boushaki, fizician la Universitatea din Texas, Dallas, și membru al colaborării DESI. „Cu cât colectăm mai multe date, cu atât vom fi mai bine echipați pentru a determina dacă această constatare este valabilă. Cu mai multe date, am putea identifica diferite explicații pentru rezultatul pe care îl observăm sau îl confirmăm. Dacă persistă, un astfel de rezultat va arunca puțină lumină asupra a ceea ce cauzează accelerația cosmică și va oferi un pas uriaș în înțelegerea evoluției universului nostru.”

Apăsând accelerația

Din ce este făcut universul? The consensul actual este că materia obișnuită reprezintă doar 4% din toată materia din univers, în timp ce materia întunecată reprezintă încă 23%. Energia întunecată reprezintă restul de 73 la sută, iar acea energie întunecată este forța motrice din spatele ratei de expansiune accelerată a universului.

A fost o vreme când oamenii de știință credeau că Universul este static, dar asta s-a schimbat odată cu teoria relativității generale a lui Albert Einstein. Alexander Friedmann a publicat un set de ecuații în 1922 care arată că Universul s-ar putea de fapt să se extindă, Georges Lemaitre făcând mai târziu o derivație independentă pentru a ajunge la aceeași concluzie. Edwin Hubble a confirmat această expansiune cu date observaționale în 1929. Înainte de aceasta, Einstein a încercat să modifice relativitatea generală prin adăugarea unei constante cosmologice pentru a obține un univers static din teoria sa; după descoperirea lui Hubble, spune legendas-a referit la acel efort drept cea mai mare gafă a lui.

Oamenii de știință se așteptau că, dacă universul s-ar fi în continuare în expansiune, forța de atracție a gravitației ar încetini în cele din urmă rata de expansiune. Dar în 1998, două echipe separate de fizicieni au măsurat schimbarea ratei de expansiune a universului, folosind supernove îndepărtate ca puncte de referință. Când Hubble a făcut măsurătorile sale din 1929, cele mai îndepărtate galaxii deplasate spre roșu se aflau la aproximativ 6 milioane de ani lumină distanță. Dacă expansiunea încetinește acum sub influența gravitației, supernovele din acele galaxii îndepărtate ar trebui să pară mai strălucitoare și mai apropiate decât ar sugera deplasările lor în roșu.

În schimb, exact contrariul era adevărat. La deplasări mari spre roșu, cele mai îndepărtate supernove sunt mai slabe decât ar fi dacă universul ar încetini. În loc să încetinească treptat, expansiunea universului se accelerează. Liderii celor două echipe au câștigat Premiul Nobel pentru Fizică 2011. Aceste rezultate din 1998 au fost coroborate de atunci cu măsurători îmbunătățite ale supernovelor, precum și măsurători indirecte ale fondului cosmic cu microunde (CMB), lentile gravitaționale și structura pe scară largă a cosmosului.

Dacă materia întunecată dă naștere gravitației care ține universul împreună, atunci energia întunecată este contraforța care împinge universul în afară. Foarte devreme în existența universului, materia întunecată a dominat. Totul era mai aproape unul de altul, așa că densitatea sa era mai mare decât cea a energiei întunecate, iar atracția sa gravitațională era mai puternică, astfel încât galaxiile timpurii să se poată forma. Dar, pe măsură ce universul a continuat să se extindă, densitatea materiei întunecate și, prin urmare, atracția gravitațională, a scăzut până când a fost mai mică decât cea a energiei întunecate. Așadar, în loc de încetinirea așteptată a ratei de expansiune, energia întunecată, acum dominantă, a început să împingă universul în ritm din ce în ce mai rapid.

Constanta cosmologică a lui Einstein (lambda) a implicat existența unei forme respingătoare de gravitație. Fizica cuantică susține că până și cel mai gol vid plin de energie sub formă de particule „virtuale” care fac cu ochiul în și din existență, zburând separat și reunindu-se într-un dans cuantic complicat. Această mare agitată de particule virtuale ar putea da naștere la energie întunecată, dând universului un mic impuls suplimentar, astfel încât să poată continua să accelereze. Problema este că și vidul cuantic conține mult energie: aproximativ 10¹²⁰ ori prea mult.

Deci, universul ar trebui să accelereze mult mai repede decât este dacă energia întunecată este, în esență, constanta cosmologică. Totuși, toate observațiile de până acum indică faptul că este constantă. Cea mai bună potrivire teoretică este cunoscută sub numele de Model Lambda CDM, care încorporează atât o materie întunecată rece care interacționează slab, cât și energie întunecată. O teorie alternativă propune că universul poate fi umplut cu o formă fluctuantă de energie întunecată numită „chintesenţă.” Există, de asemenea, câteva alte modele alternative care presupun că densitatea energiei întunecate a variat de-a lungul istoriei universului.

Aici intră în chat descoperirile inițiale potențial interesante ale DESI.