Od ponad wieku naukowcy wiedzieli, że wszechświat rozszerza się od Wielkiego Wybuchu , pierwotnego wydarzenia, które zapoczątkowało wszystko około miliardy lat temu .
Ale do tej pory nie byli w stanie rozwiązać trudnego problemu. Jak szybko się rozwija? Dzieje się tak, ponieważ istnieje rozbieżność między szacowanym tempem opartym na promieniowaniu pozostałym po Wielkim Wybuchu, znanym jako kosmiczne mikrofalowe tło lub CMB w języku naukowym, a znacznie szybszym tempem opartym na obserwacjach supernowych. Tempo ekspansji wszechświata znane jest jako stała Hubble'a, więc rozbieżność jest określana jako „napięcie Hubble'a”.
Naukowcy są przekonani, że ciągła ekspansja Wszechświata była napędzana przez siłę zwaną ciemną energią, która wydaje się, że zaczęła odwracać spowolnienie Wszechświata 7-8 miliardów lat po Wielkim Wybuchu.
Co to jest ciemna energia?
„Ciemna energia jest hipotetycznym źródłem energii we współczesnym wszechświecie, które zgodnie z naszym najlepszym rozumieniem wszechświata stanowi około 70 procent całkowitej energii we wszechświecie” – wyjaśnia Glenn Starkman , wybitny profesor uniwersytecki i współprzewodniczący wydział fizyki na Uniwersytecie Case Western Reserve.
„Głównym dowodem na jego istnienie jest przyspieszająca ekspansja wszechświata, która wydaje się trwać przez ostatnie kilka miliardów lat” – mówi Starkman. „Do napędzania takiej ekspansji potrzebne jest źródło energii, które nie staje się bardziej rozcieńczone (lub rozcieńcza się bardzo mało) w miarę rozszerzania się wszechświata. To dyskwalifikuje większość źródeł energii – np. zwykłą materię lub ciemną materię, z których obie stają się mniej gęsty, gdy wszechświat się powiększa. Najprostszym modelem ciemnej energii jest niezmienna gęstość energii związana z pustą przestrzenią. W związku z tym, jeśli przestrzeń się rozszerza, gęstość ciemnej energii pozostanie stała.
Ale jest wiele niewyjaśnionych rzeczy dotyczących ciemnej energii, w tym dlaczego nie istniała od początku. I nawet włączenie ciemnej energii do standardowego modelu nie rozwiązuje rozbieżności między dwoma pomiarami kosmicznej ekspansji.
A wczesna ciemna energia?
Ale dwa nowe, jeszcze nieopublikowane badania, oba oparte na danych zebranych w latach 2013-2016 przez Atacama Cosmology Telescope (ACT) , mogą pomóc wskazać możliwe rozwiązanie problemu. Naukowcy są przekonani, że znaleźli ślady rodzaju „wczesnej” ciemnej energii, która istniała w ciągu pierwszych 300 000 lat po Wielkim Wybuchu. Ten niedawny artykuł w Nature autorstwa Davide Castelvecchi po raz pierwszy opublikował te dwa artykuły, jeden autorstwa zespołu ACT, a drugi niezależnej grupy, w skład której wchodziła Vivian Poulin , astrofizyk z Uniwersytetu w Montpellier we Francji oraz koledzy Tristian L. Smith i Alexa Bartlett z Swarthmore College.
Pomysł wczesnej ciemnej energii został początkowo zaproponowany kilka lat temu przez Poulin, wówczas habilitanta na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, Smitha i współpracowników, jako sposób rozwiązania tego problemu.
„Wczesna ciemna energia jest propozycją innej formy ciemnej energii, tj. niepowiązanej w oczywisty sposób z ciemną energią powodującą dzisiejszą przyspieszoną ekspansję” – wyjaśnia Starkman. EDE „odgrywałoby ważną rolę we wszechświecie dawno temu, kiedy wszechświat był około 10 000 razy mniejszy i gorętszy niż jest obecnie”. Jest to koncepcja, jak mówi, „opracowana w celu rozwiązania pewnych tajemniczych sporów dotyczących historii tempa ekspansji wszechświata”.
Jak wyjaśnia artykuł w Nature, wczesna ciemna energia nie byłaby wystarczająco silna, aby spowodować przyspieszoną ekspansję Wszechświata miliardy lat później. Zamiast tego miałby na nią pośredni wpływ, powodując szybsze ochładzanie się mieszaniny cząstek elementarnych lub plazmy , powstałej wkrótce po Wielkim Wybuchu. To z kolei wpłynęłoby na sposób, w jaki powinno się mierzyć kosmiczne mikrofalowe tło — zwłaszcza pomiary wieku i tempa rozszerzania się wszechświata w oparciu o odległość, jaką fale dźwiękowe mogą podróżować w plazmie, zanim ostygnie w gaz — i skutkować będzie szybszym tempo ekspansji, które jest bliższe temu, co astronomowie obliczają na podstawie obiektów niebieskich.
Wczesna ciemna energia jest trudnym rozwiązaniem teoretycznym, ale „to jedyny model, jaki możemy uruchomić”, jak wyjaśniał Nature fizyk teoretyczny z Johns Hopkins University Mark Kamionkowski , jeden z autorów artykułu o wczesnej ciemnej energii z 2018 roku.
Wniosek nie jest jasny
Te dwa badania mogą pomóc wzmocnić argumenty za wczesną ciemną energią, ale jeden z zaangażowanych naukowców twierdzi, że nadal nie jest do końca przekonany i ostrzega, że potrzeba więcej pracy, aby dojść do jasnych wniosków.
„Byłem sceptycznie nastawiony do wczesnych modeli ciemnej energii ze względu na problemy, jakie napotykają w dopasowywaniu precyzyjnych pomiarów wielkoskalowego rozkładu galaktyk i materii we wszechświecie („struktura wielkoskalowa” lub LSS)”, Columbia University adiunkt fizyki J. Colin Hill , współautor badania zespołu ACT, zauważa w e-mailu. (Kwestionowanie tej koncepcji przez Hilla znajduje odzwierciedlenie w tym artykule , którego był współautorem w 2020 roku, a także w późniejszym , a także wspomina o innym artykule innych badaczy, który wywołuje podobne komplikacje.)
„Wnioskiem z trzech powiązanych powyżej artykułów jest to, że wczesne modele ciemnej energii, które pasują do danych CMB i Riess i in., dane H0 dają prognozy dla LSS, które nie pasują do danych z tych badań” – pisze Hill w e-mail. „W związku z tym doszliśmy do wniosku, że prawdopodobnie potrzebny jest inny model teoretyczny, a przynajmniej pewna modyfikacja wczesnego scenariusza ciemnej energii”.
W nowym badaniu, które właśnie opublikowali koledzy Hill i ACT, nie uwzględnili danych LSS w analizie, a zamiast tego skupili się prawie wyłącznie na danych CMB. „Celem było naprawdę sprawdzenie, czy dane Plancka i ACT CMB dają spójne wyniki we wczesnym kontekście ciemnej energii. Odkryliśmy, że dają one nieco inne wyniki, co jest główną zagadką, którą teraz ciężko pracujemy, próbując zrozumieć. z perspektywy, problem LSS dla wczesnego scenariusza ciemnej energii pozostaje nierozwiązany”.
„Ponadto, same dane Plancka (które pozostają najbardziej precyzyjnym zestawem danych w kosmologii) nie wykazują preferencji dla wczesnej ciemnej energii” – wyjaśnia Hill. „Tak więc, pomimo wskazówek, które widzieliśmy w danych ACT dotyczących wczesnej ciemnej energii, nadal jestem ostrożny, czy ten model może być naprawdę ostateczną historią. Będziemy potrzebować więcej danych, aby się dowiedzieć”.
Gdyby istniała, wczesna ciemna energia byłaby podobna do siły, która, jak się uważa, napędza obecne tempo ekspansji wszechświata. Ale nadal wymagałoby to poważnego przemyślenia modelu teoretycznego.
„Główna różnica polega na tym, że ta wczesna ciemna energia musi odgrywać rolę tylko przez krótki okres w kosmicznej historii, a potem musi „zniknąć” – mówi Hill. „Aby to osiągnąć, konstruujemy modele fizyki cząstek nowego pola (technicznie, pola podobnego do aksjonu), które działa w celu krótkotrwałego przyspieszenia ekspansji wszechświata przed rekombinacją, ale potem szybko zanika i staje się nieistotne”.
„W przeciwieństwie do tego, obecnie wiodący obraz standardowej ciemnej energii jest taki, że jest to po prostu stała kosmologiczna, prawdopodobnie pochodząca z energii próżni” – kontynuuje Hill. „Ta forma energii nie zmienia się z czasem. Możliwe jednak, że standardowa ciemna energia może być spowodowana jakimś nowym podstawowym polem, którego jeszcze nie zrozumieliśmy. może zatem wykazywać pewne podobieństwo do omówionego powyżej wczesnego modelu ciemnej energii”.
„Ponownie będziemy potrzebować więcej danych, aby dokładniej zbadać te pytania i, miejmy nadzieję, znaleźć odpowiedzi w nadchodzącej dekadzie” – mówi Hill. „Na szczęście wkrótce w sieci pojawi się wiele potężnych eksperymentów”. Wspomina o obiektach takich jak Obserwatorium Simonsa , które będzie badać CMB, a także Obserwatorium Rubina oraz teleskopy kosmiczne Euclid i Roman , które będą gromadzić nowe informacje o LSS. „To powinno być bardzo ekscytujące, aby zobaczyć, co znajdziemy” – mówi.
Oto film na YouTube, w którym Hill omawia wczesną ciemną energię:
Starkman mówi, że ważne jest, aby być ostrożnym z takimi „nadzwyczajnymi” twierdzeniami, chyba że dowody są jasne i przekonujące. Jak podkreśla, istnieją również dowody przeciwko EDE. „Obecne wyniki pokazują rosnące napięcia między dwoma eksperymentalnymi zestawami danych obserwacji kosmicznego mikrofalowego tła — z satelity Planck Europejskiej Agencji Kosmicznejktóry poleciał na początku ostatniej dekady i z obecnego Teleskopu Kosmicznego Atacama. Pierwsza wydaje się nie popierać idei wczesnej ciemnej energii, podczas gdy druga już tak. Takie napięcia między eksperymentami są powszechne i frustrujące. Kuszące jest stwierdzenie, że więcej danych z ACT załatwi sprawę, ale po prostu przytłoczenie wypełnionych danych Planck większą liczbą danych ACT nie wyjaśni, dlaczego dane Planck nie faworyzują EDE. Wydaje się, że napięcie będzie wymagało zrewidowanego zrozumienia jednego z tych eksperymentów w celu dostarczenia jasnego przypadku w taki czy inny sposób”.
Wendy Freedman , profesor astronomii i astrofizyki na Uniwersytecie w Chicago, która pracowała nad pomiarami kosmicznej ekspansji, uważa, że ważne jest poszukiwanie różnych alternatywnych modeli.
Model zimnej ciemnej materii Lambda (LCDM)
„Obecnie dysponujemy standardowym modelem kosmologii, tak zwanym modelem zimnej ciemnej materii lambda (LCDM)” – wyjaśnia Freedman, autor tego artykułu , opublikowanego 17 września 2021 r. na temat stałej Hubble’a w The Astrophysical Journal. e-mail. „W tym modelu około 1/3 całkowitej gęstości materii + energii to zasługa materii (z czego większość to ciemna materia), a 2/3 to składnik ciemnej energii”.
„Jednak w chwili obecnej nie znamy natury ciemnej materii ani ciemnej energii” – kontynuuje Freedman. „Jednak LCDM zapewnia wyjątkowo dobre dopasowanie do bardzo szerokiego zakresu różnych eksperymentów i obserwacji. Biorąc pod uwagę nasz stan wiedzy, wyraźnie ważne jest dalsze testowanie modelu standardowego. Obecna pozorna rozbieżność między wartością stałej Hubble'a wywnioskowaną z CMB pomiary i niektóre pomiary lokalne mogą sygnalizować nową fizykę. Dlatego mówię, że ważne jest zbadanie innych modeli poza lambda CDM.
Ale Freedman dodaje ważne zastrzeżenie: „Alternatywnie, może istnieć jakiś nieznany jeszcze błąd systematyczny, który jest odpowiedzialny za widoczną rozbieżność. Dlatego ważne jest również, aby zmniejszyć niepewności w obecnych stałych pomiarach Hubble'a”.
Teraz to ciekawe
Jeśli okaże się , że wczesna ciemna energia istniała, uwzględnienie jej w oszacowaniu wieku Wszechświata spowodowałoby, że kosmos byłby o 1,4 miliarda lat młodszy niż obecne szacunki 13,8 miliarda lat.
