Czym jest ciemna energia?

Astronomowie od lat zastanawiają się z czego zbudowany jest Wszechświat. Klasyczna materia wypełnia niewielki jego procent, resztę ma stanowić ciemna materia i tajemnicza ciemna energia, która sprawia, że Wszechświat się rozszerza.

Przez ostatnie ćwierć wieku naukowcy wierzyli, że materia składająca się z atomów i cząsteczek, stanowi tylko 5 proc. Wszechświata. Kolejne 25 proc. to ciemna materia, nieznana substancja, która nie jest widoczna, ale możliwa do wykrycia poprzez jej wpływ na klasyczną materię za pomocą grawitacji.

Pozostałe 70 proc. kosmosu składa się z ciemnej energii. Została ona odkryta w 1998 roku i jest to nieznana forma energii, która, jak uważają naukowcy, sprawia, że Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie.

W nowym badaniu opublikowanym Astronomical Journal, astronomowie zmierzyli to jakie właściwości może mieć ciemna energia, dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej. Wyniki pokazują, że może to być hipotetyczna energia próżniowa zaproponowana po raz pierwszy przez Alberta Einsteina. Jednak może to być również coś dziwniejszego i bardziej skomplikowanego, co zmienia się w czasie.

Kiedy Einstein opracował Ogólną Teorię Względności ponad sto lat temu, zdał sobie sprawę, że jego równania pokazują, że Wszechświat powinien albo się rozszerzać, albo kurczyć. Wydawało mu się to błędne, więc dodał „stałą kosmologiczną” – rodzaj energii nieodłącznie związanej z pustą przestrzenią – aby zrównoważyć siłę grawitacji i utrzymać kosmos w bezruchu.

Później, gdy prace Henrietty Swan Leavitt i Edwina Hubble’a wykazały, że Wszechświat rzeczywiście się rozszerza, Einstein zrezygnował ze stałej kosmologicznej, nazywając ją swoim „największym błędem”. W 1998 roku badacze potwierdzili, że ekspansja Wszechświata faktycznie przyspiesza. Odkrycie to wskazało, że coś podobnego do stałej kosmologicznej Einsteina może istnieć – coś, co obecnie nazywane jest ciemną energią.

Od czasu wstępnych pomiarów badacze używają supernowych i sond do pomiaru natury ciemnej energii. Do tej pory wyniki te wskazywały, że jej gęstość we Wszechświecie wydaje się być stała. Oznacza to, że siła jaką ma ciemna energia pozostaje taka sama, nawet gdy kosmos się rozrasta, naukowcy twierdzą, że nie staje się bardziej rozproszona, gdy Wszechświat zwiększa swoją objętość. Astronomowie mierzą to za pomocą liczby zwanej „w”. Stała kosmologiczna opracowana przez Einsteina zawierała „w” o wartości -1, wcześniejsze obserwacje sugerowały, że było to mniej więcej słuszne.

Astronomowie, żeby zmierzyć coś we Wszechświecie i to jak szybko się powiększa używają „świec standardowych” czyli obiektów w kosmosie, których jasność jest znana. Taką kosmiczną strukturą jest rodzaj eksplodującej gwiazdy zwanej supernową typu „Ia”. Są to białe karły, które często zasysają materię z sąsiedniej gwiazdy i rosną, aż osiągną masę 1,44 razy większą od masy naszego Słońca, po czym eksplodują. Mierząc, jak szybko eksplozja zanika, badacze mogą określić, jak jasna była, a tym samym jak daleko się znajdowała.

Dark Energy Survey to największe jak dotąd przedsięwzięcie mające na celu pomiar ciemnej energii. Ponad 400 naukowców z różnych kontynentów współpracuje ze sobą przez prawie dekadę, aby obserwować części południowego nieba.

Wielokrotne obserwacje tej samej części nieba pozwala astronomom szukać zmian, takich jak nowe eksplodujące gwiazdy. Im częstsze obserwacje, tym lepiej mogą oni zmierzyć te zmiany, a im większy obszar przeszukiwania, tym więcej supernowych można znaleźć.

Pierwsze wyniki, które wskazywały na to, że ciemna energia istnieje wykorzystywały zaledwie kilkadziesiąt supernowych. Najnowsze wyniki Dark Energy Survey obejmowały około 1500 eksplodujących gwiazd, co przełożyło się na większą dokładność.

Korzystając ze specjalnie skonstruowanej kamery zainstalowanej na 4-metrowym teleskopie Blanco w Międzyamerykańskim Obserwatorium Cerro Tololo w Chile, badacze wykryli tysiące supernowych różnych typów. Aby ustalić dokładne, które z nich były typu „Ia” (rodzaju potrzebnego do pomiaru odległości), użyli 4-metrowego Anglo Australian Telescope w Siding Spring Observatory w Nowej Południowej Walii. Teleskop ten wykonał pomiary, które rozbiły kolory światła z supernowych. Dzięki temu możliwe było poznanie poszczególnych pierwiastków w eksplozji.

Supernowe typu „Ia” mają pewne unikalne cechy, takie jak brak wodoru i krzemu. Mając wystarczającą liczbę supernowych, uczenie maszynowe pozwoliło badaczom skutecznie sklasyfikować tysiące supernowych.

Po ponad dekadzie pracy i zbadaniu około 1500 supernowych typu „Ia”, Dark Energy Survey przyniosło nowy lepszy pomiar liczy „w”. Astronomowie znaleźli „w = -0,80 ± 0,18”, co daje liczbę pomiędzy -0,62 a -0,98. Wynik jest bliski -1, ale nie do końca. Aby być stałą kosmologiczną lub energią pustej przestrzeni, musiałaby wynosić dokładnie -1.

Badacze zastanawiają się czy potrzebne jest opracowanie bardziej złożonego modelu ciemnej energii, takiego, w którym ta tajemnicza energia zmieniała się przez całe życie Wszechświata.

Emil Gołoś