30.04.2024

Emilio Bellini

Ena izmed največjih skrivnosti našega vesolja je njegovo trenutno pospešeno širjenje. Slednje bi bilo lahko posledica obstoja temne energije, fluida z negativnim tlakom. Vesolje se po tej teoriji pospešeno širi zaradi odbijajoče sile temne energije.

OK, prehitevam. Dajmo na kratko pogledati v zgodovino temne energije.

Fiziki opazujejo svet okoli sebe in ga poskušajo opisati z matematičnimi zvezami. Neverjetni uspeh fizike se zanaša ravno na zmožnost opisati in napovedati pojave z nekaj fundamentalnimi zakoni. Teoretično modeliranje vsebuje sestavine, iz katerih je sestavljen fizikalni sistem, ki ga poskušamo opisati, in sile, ki uravnavajo interakcije med temi sestavinami.

Kozmologija pri tem ni nobena izjema. Vesolje opazujemo s pomočjo signalov, ki jih lahko detektiramo (to so svetloba in, v zadnjem času, gravitacijski valovi) in jih poskušamo modelirati s sestavinami in silami. Za sestavine najprej izberemo tiste, za katere vemo, da obstajajo: standardna snov (vsa snov, ki sestavlja planete, zvezde, itd.), svetloba in osnovni delci, kot na primer nevtrini. Kar pa se tiče sil… Vemo, da je na tako velikih razdaljah edina pomembna sila gravitacije. Za slednjo imamo čudovito teorijo, slavno splošno relativnost, ki jo je pred več kot stoletjem predlagal Albert Einstein. Zelo natančni testi na lokalnih skalah (v Osončju ali v Galaksiji) potrjujejo pravilnost te teorije.

Do sem ni težav. Te se začnejo ko modele primerjamo s podatki. Če želimo, da modeli dobro opišejo podatke, moramo predpostaviti, da v vesolju obstajata vsaj dve eksotični sestavini: temna snov in temna energija. Narava obeh je neznana. Imamo modele, ki opišejo njune lastnosti, ne vemo pa, kaj pravzaprav ti dve sestavini sta. Skupaj ti dve sestavini predstavljata okoli 96 % energije vesolja (~26 % temna snov in ~70 % temna energija), zato je razumevanje njune prave narave izrednega pomena.

DESI je projekt, ki se izvaja s štirimetrskim teleskopom Mayall na observatoriju Kitt Peak v Arizonu. Avtorstvo: NSF’s OIR Lab

Temno energijo so znanstveniki vključili v modele, da bi pojasnili pospešeno širjenje vesolja. Slednje je bilo prvič izmerjeno leta 1998, za kar sta dve skupini, ki sta neodvisno ena od druge izvedli meritve, leta 2011 dobili Nobelovo nagrado. Kasnejši eksperimenti so rezultatom pritrdili. Da bi bolje razumeli pomen odkritja, moramo razumeti, da je sila gravitacije privlačna. V odsotnosti zunanjih sil se dva objekta z maso privlačita. Gravitacija bi torej morala širjenje vesolja upočasnjevati.

Najenostavneje je pospešeno širjenje pojasniti z modelom, v katerega vstavimo konstanto v splošno teorijo relativnosti, imenovano kozmološka konstanta. Prvotno si je konstanto zamislil že Einstein, s čimer se je izognil modelom širajočega vesolja (veliko znanstvenikov tistega časa je verjelo, da je vesolje statično). Konstanta je bila po odkritju širjenja vesolja opuščena, po odkritju pospešenega vesolja pa zopet vključena v enačbe. Kozmološka konstanta deluje kot odbijajoča sila. Žal jo je iz teoretičnega vidika težko upravičiti. Glavni problem te sestavine je njena majhna vrednost, ki jo je težko zajeti v fundamentalne fizikalne modele.

Zato se je skupnost v zadnji desetletjih usmerila k iskanju primerne alternative, ki bi lahko zamenjala kozmološko konstanto. A s podatki, ki so nam bili na voljo do pred nekaj mesecev, nismo mogli razločiti med preprosto kozmološko konstanto in predlaganimi alternativami.

A nekaj se je spremenilo 4. aprila, ko so svet zagledali prvi objavljeni podatki projekta DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). DESI je petletni eksperiment, s katerim bodo znanstveniki izmerili položaje in hitrosti 40 milijonov galaksij v vesolju v obdobju 11 milijard let. Trud se je komaj začel, saj imamo opazovanja za “zgolj” 6 milijonov galaksij. A že s tem vzorcem smo dobili namig, da kozmološka konstanta sploh ni konstantna!

Obvestilo je takoj pritegnilo pozornost tako strokovnjakov na tem področju kot drugih znanstvenikov, na rezultat pa so postali pozorni tudi večji časniki.

Opozoriti velja, da so rezultati začasni in da statistično še ne moremo trditi, da se vrednost kozmološke konstante skozi čas spreminja. Verjetnost, da je ta zaključek zgolj srečno naključje, je 1 deljeno s 400. V fiziki velja zlato pravilo, da rezultatu zares zaupamo šele, ko je verjetnost naključnega dogodka 1 deljeno z dvema milijonoma. V naslednjih letih bomo dobili nove podatke instrumenta DESI, tem bomo dodali podatke, pridobljene z observatorijema Vera Rubin in Euclid. Vsi ti podatki nam bodo dali robustnejše zaključke.

Če povzamem: gre za verjetno najbolj razburljivo novico o temni energiji od njenega odkritja pred več kot dvajsetimi leti. Prvič smo dobili namig o lastnostih te eksotične sestavine vesolja. Potrditev rezultatov v naslednjih letih bi pomenila, da lahko bolje opišemo temno energijo in odstremo njen pravi obraz. 


Doktor Emilio Bellini je podoktorski raziskovalec na inštitutu SISSA v Trstu. Od septembra naprej bo delal na projektu SMASH na Univerzi v Novi Gorici.

Naslovna slika: DESI je izdelal največji 3D zemljevid vesolja do danes. V povečanem oknu vidimo, kako galaksije tvorijo velike strukture v vesolju. Avtorstvo: Claire Lamman/DESI collaboration

Vse novice