Energia întunecată ar putea slăbi, arată un studiu major de astrofizică | Revista Quanta

Fizicienii au dedus indicii subtile că misterioasa energie „întunecată” care determină universul să se extindă din ce în ce mai repede s-ar putea slăbi ușor cu timpul. Este o descoperire care are potențialul de a zgudui bazele fizicii.

„Dacă este adevărat, ar fi primul indiciu real pe care l-am primit despre natura energiei întunecate în 25 de ani”, a spus Adam Riess, un astrofizician la Universitatea Johns Hopkins care a câștigat Premiul Nobel pentru co-descoperirea energiei întunecate în 1998.

Noile observații provin de la echipa Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), care a dezvăluit astăzi o hartă a cosmosului de o amploare fără precedent, împreună cu o mulțime de măsurători derivate din hartă. Pentru mulți cercetători, punctul culminant este un complot care arată că trei combinații diferite de observații insinuează că influența energiei întunecate s-ar fi putut eroda de-a lungul eonilor.

„Este posibil să vedem indicii de evoluție a energiei întunecate”, a spus Dillon Brout de la Universitatea din Boston, membru al echipei DESI.

Cercetătorii din interiorul și din afara colaborării subliniază toți că dovezile nu sunt suficient de puternice pentru a revendica o descoperire. Observațiile favorizează erodarea energiei întunecate cu un fel de semnificație statistică medie care ar putea dispărea cu ușurință cu date suplimentare. Dar cercetătorii observă, de asemenea, că trei seturi distincte de observații indică toate în aceeași direcție intrigantă, una care este în contradicție cu imaginea standard a energiei întunecate ca energia intrinsecă a vidului spațiului - cantitatea pe care Albert Einstein a numit-o „constantă cosmologică”. datorită naturii sale nevariate.

„Este incitant”, a spus Sesh Nadathur, un cosmolog la Universitatea din Portsmouth care a lucrat la analiza DESI. „Dacă energia întunecată nu este o constantă cosmologică, aceasta va fi o descoperire uriașă.”

Ascensiunea constantei cosmologice

În 1998, grupul lui Riess, împreună cu o altă echipă de astronomi condusă de Saul Perlmutter, au folosit lumina a zeci de stele îndepărtate, pe moarte, numite supernove, pentru a ilumina structura cosmosului. Ei au descoperit că expansiunea universului crește mai rapid pe măsură ce îmbătrânește.

Conform teoriei generale a relativității a lui Einstein, orice materie sau energie poate conduce expansiunea cosmică. Dar pe măsură ce spațiul se extinde, toate tipurile familiare de materie și energie devin mai puțin dense pe măsură ce se răspândesc într-un univers mai spațios. Pe măsură ce densitățile lor scad, expansiunea universului ar trebui să încetinească, nu să accelereze.

Cu toate acestea, o substanță care nu se diluează odată cu expansiunea spațiului este spațiul însuși. Dacă vidul are o energie proprie, atunci pe măsură ce se creează mai mult vid (și, prin urmare, mai multă energie), expansiunea se va accelera, așa cum au observat echipele lui Riess și Perlmutter. Descoperirea lor a expansiunii accelerate a universului a dezvăluit prezența unei cantități mici de energie asociată cu vidul spațiului - energia întunecată.

În mod convenabil, Einstein a luat în considerare o astfel de posibilitate în timp ce dezvolta relativitatea generală. Pentru a împiedica diluarea materiei să prăbușească universul, el și-a imaginat că tot spațiul ar putea fi infuzat cu o cantitate fixă ​​de energie suplimentară, reprezentată de simbolul Λ, numit lambda și denumit constantă cosmologică. Intuiția lui Einstein s-a dovedit a fi dezactivată, deoarece universul nu este echilibrat în modul în care și-a imaginat el. Dar după descoperirea din 1998 că spațiul pare să împingă totul spre exterior, constanta sa cosmologică a revenit și și-a luat locul în centrul actualului model standard de cosmologie, un set de ingrediente împletite numit „modelul Lambda CDM”.

"E simplu. Este un număr. Are o poveste pe care o poți atașa. De aceea se crede că este constantă”, a spus Licia Verde, cosmolog teoretic și membru al colaborării DESI.

Acum, o nouă generație de cosmologi care mânuiesc o nouă generație de telescoape ar putea primi primele șoapte ale unei povești mai bogate.

Cartografierea cerurilor

Unul dintre acele telescoape se află pe Kitt Peak din Arizona. Echipa DESI a echipat oglinda de patru metri a telescopului cu 5,000 de fibre robotizate care se rotesc automat spre țintele lor cerești. Automatizarea permite colectarea de date fulgerătoare, în comparație cu sondajul emblematic anterior al galaxiilor, Sloan Digital Sky Survey (SDSS), care se baza pe fibre similare care trebuiau conectate manual în plăci metalice modelate. Într-o noapte recentă de stabilire a recordurilor, DESI a reușit să înregistreze locațiile a aproape 200,000 de galaxii.

Din mai 2021 până în iunie 2022, fibrele robotizate au absorbit fotoni care au ajuns pe Pământ din diferite ere ale istoriei cosmice. De atunci, cercetătorii DESI au transformat aceste date în cea mai detaliată hartă cosmică realizată vreodată. Prezintă locațiile precise a aproximativ 6 milioane de galaxii așa cum au existat între aproximativ 2 și 12 miliarde de ani în urmă (din istoria de 13.8 miliarde de ani a universului). „DESI este un experiment cu adevărat grozav care produce date uimitoare”, a spus Riess.

Secretul cartografierii de precizie a DESI este capacitatea sa de a colecta spectre ale galaxiilor - diagrame bogate în date care înregistrează intensitatea fiecărei nuanțe de lumină. Un spectru dezvăluie cât de repede se îndepărtează o galaxie de noi și, prin urmare, în ce eră a istoriei cosmice o vedem (cu cât o galaxie se retrage mai repede, cu atât este mai veche). Asta vă permite să situați galaxiile unele față de altele, dar pentru a calibra harta cu distanțele corecte față de Pământ - informații esențiale pentru o reconstrucție completă a istoriei cosmice - aveți nevoie de altceva.

Pentru colaborarea DESI, acel ceva a fost un mozaic de ondulații de densitate înghețate lăsate în urmă din universul timpuriu. În primele două sute de mii de ani după Big Bang, cosmosul a fost o supă fierbinte și groasă de materie și lumină. Gravitația a tras materia spre interior, în timp ce lumina a împins-o spre exterior, iar lupta a declanșat ondulații de densitate care s-au răspândit în exterior dintr-un puț de pete dense inițiale din supă. După ce universul s-a răcit și s-au format atomii, a devenit transparent. Lumina s-a scurs spre exterior, lăsând ondulațiile – numite oscilații acustice barionice (BAO) – înghețate pe loc.

Rezultatul final a fost o serie de sfere suprapuse cu cochilii puțin mai dense, cu o lungime de aproximativ un miliard de ani lumină - distanța pe care BAO au avut timp să o parcurgă înainte de a îngheța. Aceste învelișuri dense au continuat să formeze puțin mai multe galaxii decât au făcut alte locații, iar atunci când cercetătorii DESI cartografiază milioane de galaxii, pot detecta urme ale acestor sfere. Sferele mai apropiate par mai mari decât cele îndepărtate, dar din moment ce cercetătorii DESI știu că sferele au toate aceeași dimensiune, ei pot spune cât de departe sunt cu adevărat galaxiile de Pământ și pot redimensiona harta în consecință.

Pentru a evita influențarea inconștientă a rezultatelor lor, cercetătorii au efectuat o analiză „oarbă”, lucrând cu măsurători care au fost amestecate aleatoriu pentru a ascunde orice tipar fizic. Apoi, colaborarea sa întâlnit în Hawai'i în decembrie anul trecut pentru a descifra rezultatele și a vedea ce fel de hartă au observat fibrele robotice Kitt Peak.

Nadathur, care urmărea în direct Zoom din casa lui din Regatul Unit, a simțit un fior când harta a fost dezvăluită, pentru că părea puțin ciudată. „Dacă ai avea suficientă experiență cu datele BAO, ai putea vedea că va fi nevoie de ceva care să fie puțin diferit de modelul standard”, a spus Nadathur. „Știam că Lambda CDM nu era chiar întreaga imagine.”

În săptămâna următoare, pe măsură ce cercetătorii au analizat noul set de date, analizându-l și combinându-l cu alte seturi mari de date cosmologice, au descoperit sursa ciudatenii și au schimbat o serie de mesaje Slack.

„Unul dintre colegii mei a postat un complot care arată această constrângere de energie întunecată și nu a scris niciun cuvânt. Doar complotul și un emoji cu cap care explodează”, a spus Nadathur.

Date pentru zile

DESI își propune să identifice modul în care universul s-a extins de-a lungul timpului, observând diferite tipuri de galaxii așa cum au apărut în timpul a șapte epoci ale istoriei cosmologice. Ei văd apoi cât de bine se aliniază aceste șapte instantanee cu evoluția prezisă de Lambda CDM. Ei iau în considerare, de asemenea, cât de bine se descurcă alte teorii - cum ar fi teoriile care permit energiei întunecate să varieze între instantanee.

Doar cu primul an de date DESI, Lambda CDM se potrivește instantaneelor ​​aproape la fel de bine cu un model de materie întunecată variabilă. Abia atunci când colaborarea combină harta DESI cu alte instantanee - lumina cunoscută sub numele de fundal cosmic cu microunde și o serie de trei hărți recente de supernovă - cele două teorii încep să se depărteze.

Ei au descoperit că rezultatele au variat de la predicția Lambda CDM cu 2.5, 3.5 sau 3.9 „sigma”, în funcție de care dintre cele trei cataloage de supernove au inclus. Imaginați-vă că aruncați o monedă de 100 de ori. Predicția pentru o monedă corectă este de 50 de capete și 50 de cozi. Dacă obțineți 60 de capete, este la două sigma distanță de medie; șansele ca aceasta să se întâmple întâmplător (spre deosebire de moneda trucată) este de 1 din 20. Dacă obțineți 75 de capete – ceea ce are o șansă de 1 din 2 milioane să se întâmple aleatoriu – acesta este un rezultat de cinci sigma, etalon de aur pentru revendicarea unei descoperiri în fizică. valorile sigma DESI obținute se situează undeva la mijloc; ar putea fi fluctuații statistice rare sau dovezi reale că energia întunecată se schimbă.

În timp ce cercetătorii consideră aceste cifre tentante, ei avertizează, de asemenea, împotriva citirii prea mult în valorile mai mari. Universul este mult mai complicat decât o monedă, iar semnificațiile statistice depind de ipoteze subtile din analiza datelor.

Un motiv mai puternic de entuziasm este faptul că toate cele trei cataloage de supernove - care se întind pe populații oarecum independente de supernove - sugerează că energia întunecată variază în același mod: puterea ei este în scădere sau, după cum spun cosmologii, „dezgheț”. „Când schimbăm toate aceste seturi de date complementare, toate tind să convergă către acest număr ușor negativ”, a spus Brout. Dacă discrepanța ar fi aleatorie, seturile de date ar fi mai probabil să îndrepte în direcții diferite.

Joshua Frieman, un cosmolog la Universitatea din Chicago și membru al colaborării DESI care nu a lucrat la analiza datelor, a spus că s-ar bucura să vadă căderea Lambda CDM. Ca teoretician, el a propus teorii despre dezghețarea energiei întunecate în anii 1990 și, mai recent, a co-fondat Dark Energy Survey — un proiect care a căutat abateri de la Modelul Standard din 2013 până în 2019 și a creat unul dintre cele trei cataloage de supernove DESI. folosit. Dar își amintește și că a fost ars de anomalii cosmologice care au dispărut în trecut. „Reacția mea la acest lucru este să fiu intrigat”, dar „până când erorile se vor micșora, nu voi scrie discursul meu de acceptare [Nobel]”, a glumit Frieman.

„Din punct de vedere statistic, ar putea dispărea”, a spus Brout despre discrepanța cu modelul Lambda CDM. „Acum facem toate eforturile pentru a afla dacă se va întâmpla.”

După ce și-au încheiat al treilea an de observații la începutul acestei săptămâni, cercetătorii DESI se așteaptă ca următoarea lor hartă să conțină aproape de două ori mai multe galaxii decât harta dezvăluită astăzi. Și acum că au mai multă experiență în realizarea analizei BAO, intenționează să scoată rapid harta actualizată de trei ani. Urmează o hartă de cinci ani a 40 de milioane de galaxii.

Dincolo de DESI, o serie de instrumente noi vor veni online în următorii ani, inclusiv Observatorul Vera Rubin de 8.4 metri din Chile, Telescopul spațial roman Nancy Grace al NASA și misiunea Euclid a Agenției Spațiale Europene.

„Datele noastre în cosmologie au făcut salturi enorme în ultimii 25 de ani și este pe cale să facă salturi mai mari”, a spus Frieman.

Pe măsură ce acumulează noi observații, cercetătorii pot continua să descopere că energia întunecată pare la fel de constantă ca timp de o generație. Sau, dacă tendința continuă în direcția sugerată de rezultatele DESI, ar putea schimba totul.

Fizica Noua

Dacă energia întunecată slăbește, nu poate fi o constantă cosmologică. În schimb, poate fi același tip de câmp despre care mulți cosmologi cred că a declanșat un moment de expansiune exponențială în timpul nașterii universului. Acest tip de „câmp scalar” ar putea umple spațiul cu o cantitate de energie care pare constantă la început - ca constanta cosmologică - dar în cele din urmă începe să alunece în timp.

„Ideea că energia întunecată variază este foarte naturală”, a spus Paul Steinhardt, un cosmolog la Universitatea Princeton. Altfel, a continuat el, „ar fi singura formă de energie pe care o cunoaștem, care este absolut constantă în spațiu și timp”.

Dar această variabilitate ar aduce o schimbare profundă de paradigmă: nu am trăi într-un vid, care este definit ca starea cu cea mai joasă energie a universului. În schimb, am locui într-o stare de energie care alunecă încet spre un adevărat vid. „Suntem obișnuiți să credem că trăim în vid”, a spus Steinhardt, „dar nimeni nu ți-a promis asta”.

Soarta cosmosului ar depinde de cât de repede scade numărul cunoscut anterior ca constantă cosmologică și de cât de departe ar putea merge. Dacă ajunge la zero, accelerația cosmică s-ar opri. Dacă scade suficient de mult sub zero, expansiunea spațiului s-ar transforma într-o contracție lentă - genul de inversare necesar pentru teorii ciclice ale cosmologiei, precum cele dezvoltate de Steinhardt.

Teoreticienii șirurilor împărtășesc o viziune similară. Cu propunerea lor ca totul se rezumă la vibrația corzilor, ei pot împleti universuri cu diferite numere de dimensiuni și tot felul de particule și forțe exotice. Dar ei nu se poate construi cu ușurință un univers care menține permanent o energie pozitivă stabilă, așa cum a părut universul nostru. În schimb, în ​​teoria corzilor, energia trebuie fie să scadă ușor pe parcursul a miliarde de ani, fie să scadă violent la zero sau la o valoare negativă. „În esență, toți teoreticienii corzilor cred că este una sau alta. Nu știm care dintre ele”, a spus Cumrun Vafa de la Universitatea Harvard.

Dovezile observaționale pentru o scădere treptată a energiei întunecate ar fi un avantaj pentru scenariul căderii blânde. "Asta ar fi nemaipomenit. Ar fi cea mai importantă descoperire de la descoperirea însăși a energiei întunecate”, a spus Vafa.

Dar, deocamdată, orice astfel de speculații sunt înrădăcinate în analiza DESI doar în cele mai libere moduri. Cosmologii vor trebui să observe multe milioane de galaxii înainte de a distra în mod serios gândurile de revoluție.

„Dacă acest lucru va rezista, ar putea lumina calea către o nouă înțelegere, potențial mai profundă a universului”, a spus Riess. „Următorii câțiva ani ar trebui să fie foarte revelatori.”