Wyniki głównych badań astrofizycznych: ciemna energia może słabnąć | Magazyn Quanta

Fizycy wywnioskowali subtelne wskazówki, że tajemnicza „ciemna” energia, która powoduje, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej, może z czasem nieznacznie słabnąć. To odkrycie, które może wstrząsnąć podstawami fizyki.

„Jeśli to prawda, byłaby to pierwsza od 25 lat prawdziwa wskazówka, jaką otrzymaliśmy na temat natury ciemnej energii” – powiedział Adam Riess, astrofizyk z Johns Hopkins University, laureat Nagrody Nobla za współodkrycie ciemnej energii w 1998 roku.

Nowe obserwacje pochodzą od zespołu Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), który dzisiaj odsłonił mapę kosmosu o niespotykanym dotychczas zasięgu wraz z mnóstwem pomiarów uzyskanych z tej mapy. Dla wielu badaczy najważniejszym wydarzeniem jest wykres pokazujący, że trzy różne kombinacje obserwacji sugerują, że wpływ ciemnej energii mógł ulegać erozji na przestrzeni eonów.

„Możliwe, że widzimy oznaki ewolucji ciemnej energii” – stwierdził Dillona Brouta Uniwersytetu Bostońskiego, członek zespołu DESI.

Badacze we współpracy i poza nią podkreślają, że dowody nie są wystarczająco mocne, aby uznać je za odkrycie. Obserwacje sprzyjają erozji ciemnej energii ze średnim znaczeniem statystycznym, które może łatwo zniknąć w przypadku dodatkowych danych. Badacze zauważają jednak również, że wszystkie trzy różne zestawy obserwacji zmierzają w tym samym intrygującym kierunku, co jest sprzeczne ze standardowym obrazem ciemnej energii jako wewnętrznej energii próżni kosmicznej – wielkości, którą Albert Einstein nazwał „stała kosmologiczną”. ze względu na swój niezmienny charakter.

„To ekscytujące” – powiedział Sesh Nadathur, kosmolog z Uniwersytetu w Portsmouth, który pracował nad analizą DESI. „Jeśli ciemna energia nie jest stałą kosmologiczną, będzie to ogromne odkrycie”.

Powstanie stałej kosmologicznej

W 1998 roku grupa Riessa wraz z innym zespołem astronomów pod przewodnictwem Saula Perlmuttera wykorzystała światło dziesiątek odległych, umierających gwiazd zwanych supernowymi do oświetlenia struktury kosmosu. Odkryli, że ekspansja Wszechświata rośnie szybciej w miarę starzenia się.

Według ogólnej teorii względności Einsteina każda materia i energia może napędzać kosmiczną ekspansję. Jednak w miarę rozszerzania się przestrzeni wszystkie znane rodzaje materii i energii stają się mniej gęste, gdy rozprzestrzeniają się w bardziej przestronnym wszechświecie. W miarę spadku ich gęstości ekspansja Wszechświata powinna zwalniać, a nie przyspieszać.

Jednakże jedną substancją, która nie ulega rozcieńczeniu wraz z rozszerzaniem się przestrzeni, jest sama przestrzeń. Jeśli próżnia ma własną energię, to w miarę tworzenia się większej próżni (a zatem i energii) ekspansja przyspiesza, tak jak zaobserwowali zespoły Riessa i Perlmuttera. Odkrycie przyspieszającej ekspansji Wszechświata ujawniło obecność niewielkiej ilości energii związanej z próżnią kosmiczną – ciemnej energii.

Co ciekawe, Einstein rozważał taką możliwość podczas opracowywania ogólnej teorii względności. Aby zapobiec zapadnięciu się wszechświata przez rozcieńczenie materii, wyobraził sobie, że cała przestrzeń może zostać nasycona stałą ilością dodatkowej energii, reprezentowanej przez symbol Λ, zwanej lambda i określanej jako stała kosmologiczna. Intuicja Einsteina okazała się wyłączona, ponieważ wszechświat nie jest zrównoważony w sposób, jaki sobie wyobrażał. Jednak po odkryciu w 1998 roku, że przestrzeń wydaje się wypychać wszystko na zewnątrz, jego stała kosmologiczna powróciła i zajęła swoje miejsce w sercu obecnego standardowego modelu kosmologii, zbiorze splecionych ze sobą składników nazwanych „modelem Lambda CDM”.

"To proste. To jedna liczba. Ma pewną historię, którą można do niej dołączyć. Dlatego uważa się, że jest stały” – powiedział Licia Verde, kosmolog teoretyczny i członek kolaboracji DESI.

Teraz nowe pokolenie kosmologów dysponujących teleskopami nowej generacji może wychwytywać pierwsze szepty bogatszej historii.

Mapowanie nieba

Jeden z tych teleskopów znajduje się na Kitt Peak w Arizonie. Zespół DESI wyposażył czterometrowe zwierciadło teleskopu w 5,000 włókien robotycznych, które automatycznie kierują się w stronę swoich niebiańskich celów. Automatyzacja umożliwia błyskawiczne gromadzenie danych w porównaniu z poprzednim sztandarowym badaniem galaktyk, Sloan Digital Sky Survey (SDSS), które opierało się na podobnych światłowodach, które trzeba było ręcznie podłączać do wzorzystych metalowych płytek. Podczas jednej z niedawnych rekordowych nocy DESI był w stanie zarejestrować położenie prawie 200,000 XNUMX galaktyk.

Od maja 2021 r. do czerwca 2022 r. włókna robotyczne pochłaniały fotony przybywające na Ziemię z różnych epok historii kosmosu. Od tego czasu badacze DESI przekształcili te dane w najbardziej szczegółową mapę kosmiczną, jaką kiedykolwiek stworzono. Zawiera dokładne lokalizacje około 6 milionów galaktyk w stanie, w jakim istniały mniej więcej od 2 do 12 miliardów lat temu (biorąc pod uwagę 13.8 miliarda lat historii Wszechświata). „DESI to naprawdę świetny eksperyment, w wyniku którego powstają zdumiewające dane” – powiedział Riess.

Sekretem precyzyjnego mapowania DESI jest jego zdolność do gromadzenia widm galaktyk – bogatych w dane wykresów rejestrujących intensywność każdej barwy światła. Widmo pokazuje, jak szybko galaktyka oddala się od nas, a zatem w której epoce kosmicznej historii ją widzimy (im szybciej galaktyka się oddala, tym jest starsza). Pozwala to na umiejscowienie galaktyk względem siebie, ale aby skalibrować mapę pod kątem prawidłowych odległości względem Ziemi – informacji niezbędnych do pełnej rekonstrukcji historii kosmosu – potrzeba czegoś innego.

W przypadku współpracy DESI było to coś, co stanowiło mozaikę zamrożonych zmarszczek gęstości pozostałych po wczesnym Wszechświecie. Przez pierwsze kilkaset tysięcy lat po Wielkim Wybuchu kosmos był gorącą, gęstą zupą składającą się głównie z materii i światła. Grawitacja wciągnęła materię do środka, podczas gdy światło wypychało ją na zewnątrz, a walka wywołała zmarszczki gęstości rozprzestrzeniające się na zewnątrz z kilku początkowych gęstych plam w zupie. Gdy Wszechświat ostygł i utworzyły się atomy, stał się przezroczysty. Światło wypłynęło na zewnątrz, pozostawiając zmarszczki – zwane barionowymi oscylacjami akustycznymi (BAO) – zamrożone.

Efektem końcowym była seria nakładających się kul z nieco gęstszymi powłokami o średnicy około miliarda lat świetlnych – czyli odległość, którą BAO miały czas przebyć przed zamrożeniem. Te gęste powłoki utworzyły później nieco więcej galaktyk niż w innych lokalizacjach, a kiedy badacze DESI mapują miliony galaktyk, są w stanie wykryć ślady tych sfer. Bliższe sfery wydają się większe niż odległe, ale ponieważ badacze DESI wiedzą, że wszystkie kule są tego samego rozmiaru, mogą określić, jak daleko od Ziemi w rzeczywistości znajdują się galaktyki i odpowiednio zmienić rozmiar mapy.

Aby uniknąć nieświadomego wpływu na swoje wyniki, badacze przeprowadzili „ślepą” analizę, pracując z pomiarami, które zostały losowo przesunięte, aby ukryć wszelkie wzorce fizyczne. Następnie w grudniu zeszłego roku zespół spotkał się na Hawajach, aby rozszyfrować wyniki i sprawdzić, jaką mapę zaobserwowały włókna robotyczne Kitt Peak.

Nadathur, który oglądał na żywo w Zoomie ze swojego domu w Wielkiej Brytanii, poczuł dreszczyk emocji, gdy ukazała się mapa, ponieważ wydawała się nieco dziwna. „Gdybyś miał wystarczające doświadczenie z danymi BAO, widziałbyś, że potrzebne będzie coś, co nieco różni się od modelu standardowego” – powiedział Nadathur. „Wiedziałem, że Lambda CDM to nie cały obraz”.

W następnym tygodniu, gdy badacze przeczesywali nowy zbiór danych, analizowali go i łączyli z innymi dużymi zbiorami danych kosmologicznych, odkryli źródło dziwności i wymienili mnóstwo wiadomości w Slacku.

„Jeden z moich kolegów zamieścił wykres pokazujący to ograniczenie ciemnej energii i nie napisał ani słowa. Tylko fabuła i emoji eksplodującej głowy” – powiedział Nadathur.

Dane za dni

Celem DESI jest ustalenie, w jaki sposób Wszechświat rozszerzał się w czasie, poprzez obserwację różnych typów galaktyk, jakie pojawiały się w siedmiu epokach historii kosmologicznej. Następnie sprawdzają, jak dobrze te siedem migawek pokrywa się z ewolucją przewidywaną przez Lambda CDM. Zastanawiają się także, jak dobrze radzą sobie inne teorie – na przykład teorie, które pozwalają na zmianę ciemnej energii pomiędzy migawkami.

Tylko w przypadku danych DESI z pierwszego roku, Lambda CDM pasuje do migawek prawie tak dobrze, jak model zmiennej ciemnej materii. Dopiero gdy w ramach współpracy połączy się mapę DESI z innymi migawkami – światłem znanym jako kosmiczne mikrofalowe tło i serią trzech najnowszych map supernowych – obie teorie zaczynają się od siebie oddalać.

Odkryli, że wyniki różniły się od przewidywań Lambda CDM o 2.5, 3.5 lub 3.9 „sigma”, w zależności od tego, który z trzech katalogów supernowych uwzględniono. Wyobraź sobie, że rzucasz monetą 100 razy. Przewidywana uczciwa moneta to 50 orłów i 50 reszek. Jeśli zdobędziesz 60 reszek, to dwie sigma od średniej; prawdopodobieństwo, że stanie się to przez przypadek (a nie, że moneta została sfałszowana) wynosi 1 do 20. Jeśli wypadnie 75 reszek – co ma prawdopodobieństwo 1 do 2 milionów – będzie to wynik XNUMX sigma, złoty standard w uznawaniu odkrycia w fizyce. uzyskane wartości sigma DESI mieszczą się gdzieś pomiędzy; mogą to być rzadkie wahania statystyczne lub prawdziwy dowód na to, że ciemna energia się zmienia.

Chociaż badacze uważają te liczby za kuszące, ostrzegają również przed nadmiernym wczytywaniem się w wyższe wartości. Wszechświat jest o wiele bardziej skomplikowany niż moneta, a znaczenie statystyczne zależy od subtelnych założeń w analizie danych.

Silniejszym powodem do entuzjazmu jest fakt, że wszystkie trzy katalogi supernowych – obejmujące w pewnym stopniu niezależne populacje supernowych – wskazują, że ciemna energia zmienia się w ten sam sposób: jej moc słabnie lub, jak mówią kosmolodzy, „rozmarza”. „Kiedy zamienimy wszystkie te uzupełniające się zbiory danych, wszystkie zbiegają się w kierunku tej nieco ujemnej liczby” – powiedział Brout. Gdyby rozbieżność była przypadkowa, zbiory danych z większym prawdopodobieństwem wskazywałyby różne kierunki.

Jozuego Friemana, kosmolog z Uniwersytetu w Chicago i członek zespołu DESI, który nie pracował nad analizą danych, powiedział, że byłby zadowolony, gdyby Lambda CDM spadła. Jako teoretyk zaproponował teorie rozmrażania ciemnej energii w latach 1990. XX wieku, a ostatnio był współzałożycielem Dark Energy Survey — projektu, w ramach którego szukano odchyleń od Modelu Standardowego w latach 2013–2019 i stworzył jeden z trzech katalogów supernowych DESI używany. Ale pamięta też, że w przeszłości został poparzony przez znikające anomalie kosmologiczne. „Moją reakcją jest zaintrygowanie”, ale „dopóki błędy nie będą mniejsze, nie napiszę przemówienia o przyjęciu [Nobla]” – zażartował Frieman.

„Statystycznie rzecz biorąc, może zniknąć” – powiedział Brout o rozbieżności z modelem Lambda CDM. „Teraz zrobimy wszystko, aby dowiedzieć się, czy tak się stanie”.

Po zakończeniu trzeciego roku obserwacji na początku tego tygodnia badacze z DESI spodziewają się, że ich następna mapa będzie zawierać prawie dwa razy więcej galaktyk niż mapa odsłonięta dzisiaj. Teraz, gdy mają już większe doświadczenie w przeprowadzaniu analiz BAO, planują szybko udostępnić zaktualizowaną trzyletnią mapę. Następnie pojawia się pięcioletnia mapa 40 milionów galaktyk.

Oprócz DESI w nadchodzących latach w sieci pojawi się mnóstwo nowych instrumentów, w tym 8.4-metrowe Obserwatorium Vera Rubin w Chile, rzymski teleskop kosmiczny Nancy Grace należący do NASA i misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej.

„Nasze dane w dziedzinie kosmologii poczyniły ogromne postępy w ciągu ostatnich 25 lat i wkrótce nastąpią jeszcze większe” – powiedział Frieman.

Gromadząc nowe obserwacje, badacze mogą w dalszym ciągu odkrywać, że ciemna energia wydaje się tak samo stała, jak przez całe pokolenie. Lub, jeśli trend utrzyma się w kierunku sugerowanym przez wyniki DESI, może to wszystko zmienić.

Nowa fizyka

Jeśli ciemna energia słabnie, nie może to być stała kosmologiczna. Zamiast tego może to być ten sam rodzaj pola, który według wielu kosmologów zapoczątkował moment wykładniczej ekspansji podczas narodzin Wszechświata. Tego rodzaju „pole skalarne” mogłoby wypełnić przestrzeń ilością energii, która początkowo wygląda na stałą – jak stała kosmologiczna – ale z czasem zaczyna się zmniejszać.

„Pomysł, że ciemna energia jest zmienna, jest bardzo naturalny” – powiedział Pawła Steinhardta, kosmolog z Uniwersytetu Princeton. W przeciwnym razie – kontynuował – „byłaby to jedyna znana nam forma energii, która jest absolutnie stała w przestrzeni i czasie”.

Jednak ta zmienność spowodowałaby głęboką zmianę paradygmatu: nie żylibyśmy w próżni, którą definiuje się jako stan najniższej energii Wszechświata. Zamiast tego żylibyśmy w stanie pobudzenia, który powoli zmierza w stronę prawdziwej próżni. „Przyzwyczailiśmy się myśleć, że żyjemy w próżni” – powiedział Steinhardt – „ale nikt wam tego nie obiecał”.

Los kosmosu będzie zależał od tego, jak szybko będzie spadać liczba znana wcześniej jako stała kosmologiczna i jak daleko to się posunie. Jeśli osiągnie zero, kosmiczne przyspieszenie ustanie. Jeśli spadnie wystarczająco głęboko poniżej zera, rozszerzanie się przestrzeni zamieni się w powolne kurczenie się – rodzaj odwrócenia wymagany do cykliczne teorie kosmologii, takie jak te opracowane przez Steinhardta.

Teoretycy strun podzielają podobny pogląd. Dzięki swojej propozycji, że wszystko sprowadza się do wibracji strun, mogą splatać wszechświaty o różnej liczbie wymiarów i wszelkiego rodzaju egzotycznych cząstkach i siłach. Ale oni nie można łatwo skonstruować wszechświat, który stale utrzymuje stabilną pozytywną energię, tak jak wydawało się to naszemu wszechświatowi. Zamiast tego, zgodnie z teorią strun, energia musi albo delikatnie spadać w ciągu miliardów lat, albo gwałtownie spadać do zera lub wartości ujemnej. „Zasadniczo wszyscy teoretycy strun uważają, że jest to jedno lub drugie. Nie wiemy, który” – powiedział Cumrun Vafa Uniwersytetu Harvarda.

Dowody obserwacyjne na stopniowy spadek ciemnej energii byłyby dobrodziejstwem dla scenariusza łagodnego upadku. "To by było wspaniałe. Byłoby to najważniejsze odkrycie od czasu odkrycia samej ciemnej energii” – powiedział Vafa.

Jednak na razie wszelkie tego typu spekulacje są zakorzenione w analizie DESI jedynie w najbardziej luźny sposób. Kosmolodzy będą musieli obserwować wiele milionów galaktyk, zanim poważnie zaczną myśleć o rewolucji.

„Jeśli to się utrzyma, może oświetlić drogę do nowego, potencjalnie głębszego zrozumienia wszechświata” – powiedział Riess. „Następne kilka lat powinno być bardzo odkrywcze”.