Temna energija morda slabi, ugotavlja glavna astrofizikalna študija | Revija Quanta

Fiziki so izpeljali subtilne namige, da skrivnostna "temna" energija, ki žene vesolje k ​​vse hitrejšemu širjenju, morda sčasoma rahlo oslabi. To je odkritje, ki lahko zamaje temelje fizike.

"Če je res, bi bil to prvi pravi namig, ki smo ga dobili o naravi temne energije v 25 letih," je dejal Adam Riess, astrofizik z univerze Johns Hopkins, ki je leta 1998 prejel Nobelovo nagrado za soodkrivanje temne energije.

Nova opažanja prihajajo iz ekipe Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), ki je danes razkrila zemljevid vesolja izjemnega obsega, skupaj z bonanzo meritev, izvedenih iz zemljevida. Za mnoge raziskovalce je vrhunec zaplet, ki prikazuje, da vse tri različne kombinacije opazovanj nakazujejo, da je vpliv temne energije morda izginil skozi eone.

"Možno je, da vidimo namige o temni energiji, ki se razvija," je rekel Dillon Brout Bostonske univerze, član ekipe DESI.

Vsi raziskovalci znotraj in zunaj sodelovanja poudarjajo, da dokazi niso dovolj trdni, da bi trdili o odkritju. Opazovanja podpirajo erozijo temne energije z nekakšno srednjo statistično pomembnostjo, ki bi lahko zlahka izginila z dodatnimi podatki. Raziskovalci pa ugotavljajo tudi, da vsi trije različni nizi opazovanj kažejo v isto intrigantno smer, tisto, ki je v nasprotju s standardno sliko temne energije kot intrinzične energije vakuuma vesolja – količine, ki jo je Albert Einstein poimenoval »kozmološka konstanta«. zaradi svoje nespremenljive narave.

"To je razburljivo," je rekel Sesh Nadathur, kozmolog na Univerzi v Portsmouthu, ki je delal na analizi DESI. "Če temna energija ni kozmološka konstanta, bo to veliko odkritje."

Vzpon kozmološke konstante

Leta 1998 je Riessova skupina skupaj z drugo ekipo astronomov, ki jo je vodil Saul Perlmutter, uporabila svetlobo več deset oddaljenih, umirajočih zvezd, imenovanih supernove, da bi osvetlila strukturo vesolja. Odkrili so, da se vesolje s staranjem širi hitreje.

Po Einsteinovi splošni teoriji relativnosti lahko vsaka snov ali energija poganja kozmično širitev. Ko pa se prostor širi, postajajo vse znane vrste snovi in ​​energije manj gostote, ko se širijo v prostornejšem vesolju. Ko njihova gostota pada, bi se moralo širjenje vesolja upočasniti, ne pospešiti.

Snov, ki se s širjenjem prostora ne razredči, pa je prostor sam. Če ima vakuum lastno energijo, potem ko se ustvari več vakuuma (in torej več energije), se bo širitev pospešila, tako kot sta opazili Riessova in Perlmutterjeva ekipa. Njihovo odkritje pospešenega širjenja vesolja je razkrilo prisotnost majhne količine energije, povezane z vakuumom vesolja - temne energije.

Prikladno je, da je Einstein upošteval takšno možnost, ko je razvijal splošno teorijo relativnosti. Da bi preprečil, da bi redčenje materije sesedlo vesolje, si je zamislil, da bi bil lahko ves prostor prežet s fiksno količino dodatne energije, ki jo predstavlja simbol Λ, imenovan lambda, in imenovan kozmološka konstanta. Izkazalo se je, da je Einsteinova intuicija izklopljena, saj vesolje ni uravnoteženo tako, kot si je predstavljal. Toda po odkritju leta 1998, da se zdi, da vesolje potiska vse navzven, se je njegova kozmološka konstanta vrnila in zavzela svoje mesto v središču sedanjega standardnega modela kozmologije, niza prepletenih sestavin, imenovanih "model Lambda CDM".

»Preprosto je. To je ena številka. Ima nekaj zgodbe, ki ji jo lahko pripneš. Zato se verjame, da je konstanten,« je dejal Licia Verde, teoretični kozmolog in član kolaboracije DESI.

Zdaj nova generacija kozmologov, ki uporabljajo novo generacijo teleskopov, morda pobirajo prve šepete o bogatejši zgodbi.

Kartiranje nebes

Eden od teh teleskopov stoji na Kitt Peaku v Arizoni. Ekipa DESI je štirimetrsko ogledalo teleskopa opremila s 5,000 robotskimi vlakni, ki se samodejno obračajo proti svojim nebesnim ciljem. Avtomatizacija omogoča bliskovito hitro zbiranje podatkov v primerjavi s prejšnjim vodilnim raziskovanjem galaksij, Sloan Digital Sky Survey (SDSS), ki se je opiral na podobna vlakna, ki jih je bilo treba ročno vstaviti v vzorčaste kovinske plošče. V eni nedavni rekordni noči je DESI uspel posneti lokacije skoraj 200,000 galaksij.

Od maja 2021 do junija 2022 so robotska vlakna posrkala fotone, ki so prispeli na Zemljo iz različnih obdobij kozmične zgodovine. Raziskovalci DESI so te podatke od takrat pretvorili v najbolj podroben kozmični zemljevid, ki je bil kdajkoli izdelan. Vsebuje natančne lokacije približno 6 milijonov galaksij, kot so obstajale pred približno 2 do 12 milijardami let (od 13.8 milijarde let dolge zgodovine vesolja). "DESI je res odličen eksperiment, ki proizvaja osupljive podatke," je dejal Riess.

Skrivnost DESI-jevega natančnega kartiranja je njegova zmožnost zbiranja spektrov galaksij – podatkovno bogatih grafov, ki beležijo intenzivnost vsakega odtenka svetlobe. Spekter razkriva, kako hitro se galaksija oddaljuje od nas in torej v kateri dobi kozmične zgodovine jo vidimo (hitreje ko se galaksija oddaljuje, starejša je). To vam omogoča umeščanje galaksij med seboj, toda za umerjanje zemljevida s pravilnimi razdaljami glede na Zemljo - bistvene informacije za popolno rekonstrukcijo kozmične zgodovine - potrebujete nekaj drugega.

Za sodelovanje DESI je bilo to nekaj krpica zamrznjenih valov gostote, ki so ostali iz zgodnjega vesolja. Prvih nekaj sto tisoč let po velikem poku je bilo vesolje vroča, gosta juha, sestavljena predvsem iz snovi in ​​svetlobe. Gravitacija je potegnila snov navznoter, medtem ko jo je svetloba potisnila navzven, in boj je sprožil valovanje gostote, ki se je širilo navzven od drobcev začetnih gostih madežev v juhi. Ko se je vesolje ohladilo in so nastali atomi, je postalo prozorno. Svetloba je tekla navzven, pri čemer so valovi – imenovani barionska akustična nihanja (BAO) – ostali zamrznjeni na mestu.

Končni rezultat je bila vrsta prekrivajočih se krogel z nekoliko gostejšimi lupinami, ki so merile približno milijardo svetlobnih let v premer - razdaljo, ki so jo BAO imeli čas prepotovati, preden so zamrznili. Te goste lupine so nato oblikovale nekoliko več galaksij kot druge lokacije, in ko raziskovalci DESI preslikajo milijone galaksij, lahko zaznajo sledi teh krogel. Bližje krogle so videti večje od oddaljenih, a ker raziskovalci DESI vedo, da so vse krogle enake velikosti, lahko ugotovijo, kako daleč od Zemlje so galaksije v resnici, in ustrezno spremenijo velikost zemljevida.

Da bi se izognili nezavednemu vplivanju na rezultate, so raziskovalci izvedli "slepo" analizo, pri čemer so delali z meritvami, ki so bile naključno premešane, da bi prikrile vse fizične vzorce. Nato se je kolaboracija srečala na Havajih decembra lani, da bi razvozlali rezultate in videli, kakšen zemljevid so opazila robotska vlakna Kitt Peak.

Nadathur, ki je v živo spremljal Zoom iz svojega doma v Združenem kraljestvu, je bil navdušen, ko je bil zemljevid razkrit, saj se je zdel nekoliko nenavaden. »Če bi imeli dovolj izkušenj s podatki BAO, bi lahko videli, da bo potrebno nekaj, kar bo nekoliko drugačno od standardnega modela,« je dejal Nadathur. "Vedel sem, da Lambda CDM ni povsem celotna slika."

V naslednjem tednu, ko so raziskovalci prečesali nov nabor podatkov, ga analizirali in mešali z drugimi velikimi kozmološkimi nabori podatkov, so odkrili vir nenavadnosti in izmenjali množico sporočil Slack.

»Eden od mojih kolegov je objavil risbo, ki prikazuje to omejitev temne energije, in ni napisal nobene besede. Samo zaplet in emoji v obliki eksplozivne glave,« je dejal Nadathur.

Podatki za dni

Cilj DESI je določiti, kako se je vesolje skozi čas širilo z opazovanjem različnih vrst galaksij, kot so se pojavile v sedmih obdobjih kozmološke zgodovine. Nato vidijo, kako dobro se teh sedem posnetkov ujema z razvojem, ki ga napoveduje Lambda CDM. Upoštevajo tudi, kako dobre so druge teorije - na primer teorije, ki dovoljujejo, da se temna energija razlikuje med posnetki.

S samo prvim letom podatkov DESI Lambda CDM ustreza posnetkom skoraj tako dobro kot model spremenljive temne snovi. Šele ko sodelovanje združi zemljevid DESI z drugimi posnetki – svetlobo, znano kot kozmično mikrovalovno ozadje, in serijo treh nedavnih zemljevidov supernove –, se teoriji začneta oddaljevati.

Ugotovili so, da so se rezultati razlikovali od napovedi Lambda CDM za 2.5, 3.5 ali 3.9 "sigme", odvisno od tega, katerega od treh katalogov supernov so vključili. Predstavljajte si, da vržete kovanec 100-krat. Napoved poštenega kovanca je 50 glav in 50 repov. Če dobite 60 glav, je to dve sigmi stran od povprečja; verjetnost, da se to zgodi po naključju (v nasprotju s prirejenim kovancem), je 1 proti 20. Če dobite 75 glav – kar ima 1 proti 2 milijona možnosti, da se zgodi naključno – je to rezultat pet sigma, zlati standard za trditev o odkritju v fiziki. dobljene sigma vrednosti DESI so nekje vmes; lahko so redka statistična nihanja ali pravi dokaz, da se temna energija spreminja.

Čeprav se raziskovalcem zdijo te številke moteče, svarijo tudi pred pretiranim branjem višjih vrednosti. Vesolje je veliko bolj zapleteno kot kovanec, statistični pomen pa je odvisen od subtilnih predpostavk v analizi podatkov.

Močnejši razlog za navdušenje je dejstvo, da vsi trije katalogi supernov - ki obsegajo nekoliko neodvisne populacije supernov - namigujejo, da se temna energija spreminja na enak način: njena moč upada, ali kot pravijo kozmologi, "taplja se". "Ko zamenjamo vse te komplementarne nize podatkov, se vsi zbližajo na to rahlo negativno število," je dejal Brout. Če bi bilo neskladje naključno, bi bili nabori podatkov bolj verjetno kazali v različne smeri.

Joshua Frieman, kozmolog na Univerzi v Chicagu in član kolaboracije DESI, ki ni delal na analizi podatkov, je dejal, da bi bil vesel, da bi Lambda CDM padel. Kot teoretik je v devetdesetih predlagal teorije o odmrzovanju temne energije, pred kratkim pa je soustanovil Dark Energy Survey – projekt, ki je od leta 1990 do 2013 iskal odstopanja od standardnega modela in ustvaril enega od treh katalogov supernov DESI. rabljeno. Spominja pa se tudi, da so ga v preteklosti opekle izginjajoče kozmološke anomalije. "Moja reakcija na to je zanimiva," toda "dokler se napake ne bodo zmanjšale, ne bom napisal svojega [Nobelovega] govora ob sprejemu," se je pošalil Frieman.

"Statistično gledano bi lahko izginilo," je dejal Brout o neskladju z modelom Lambda CDM. "Zdaj se zelo trudimo ugotoviti, ali bo."

Potem ko so v začetku tega tedna zaključili svoje tretje leto opazovanj, raziskovalci DESI pričakujejo, da bo njihov naslednji zemljevid vseboval skoraj dvakrat več galaksij kot danes razkriti zemljevid. In zdaj, ko imajo več izkušenj z analizo BAO, nameravajo hitro izdati posodobljen triletni zemljevid. Sledi petletni zemljevid 40 milijonov galaksij.

Poleg DESI bo v prihodnjih letih na spletu na voljo še vrsta novih instrumentov, vključno z 8.4-metrskim observatorijem Vera Rubin v Čilu, Nasinim rimskim vesoljskim teleskopom Nancy Grace in misijo Euclid Evropske vesoljske agencije.

»Naši podatki v kozmologiji so v zadnjih 25 letih naredili ogromen preskok in bodo še večji,« je dejal Frieman.

Ko zbirajo nova opažanja, lahko raziskovalci še naprej odkrivajo, da se temna energija zdi tako konstantna, kot je bila že eno generacijo. Ali pa, če se bo trend nadaljeval v smeri, ki jo kažejo rezultati DESI, bi lahko spremenil vse.

Nova fizika

Če temna energija slabi, to ne more biti kozmološka konstanta. Namesto tega je morda ista vrsta polja, za katero mnogi kozmologi menijo, da je sprožilo trenutek eksponentne širitve med rojstvom vesolja. Tovrstno "skalarno polje" bi lahko napolnilo prostor s količino energije, ki je sprva videti konstantna - kot kozmološka konstanta - vendar sčasoma začne upadati.

"Zamisel, da se temna energija spreminja, je zelo naravna," je dejal Paul Steinhardt, kozmolog na univerzi Princeton. V nasprotnem primeru, je nadaljeval, "bi bila to edina oblika energije, ki jo poznamo in je absolutno konstantna v prostoru in času."

Toda ta spremenljivost bi povzročila globoko spremembo paradigme: ne bi živeli v vakuumu, ki je opredeljen kot najnižje energijsko stanje vesolja. Namesto tega bi živeli v energiziranem stanju, ki počasi drsi proti pravemu vakuumu. "Navajeni smo misliti, da živimo v vakuumu," je dejal Steinhardt, "vendar vam tega nihče ni obljubil."

Usoda kozmosa bi bila odvisna od tega, kako hitro upada število, ki je bilo prej znano kot kozmološka konstanta, in kako daleč bi lahko šlo. Če doseže ničlo, bi se kozmično pospeševanje ustavilo. Če pade dovolj daleč pod ničlo, bi se širjenje prostora spremenilo v počasno krčenje - nekakšen preobrat, ki je potreben za ciklične teorije kozmologije, kot so tiste, ki jih je razvil Steinhardt.

Teoretiki strun delijo podoben pogled. S svojim predlogom, da se vse skrči na vibriranje strun, lahko spletejo vesolja z različnimi števili dimenzij in najrazličnejšimi eksotičnimi delci in silami. Ampak oni ne more zlahka zgraditi vesolje, ki trajno ohranja stabilno pozitivno energijo, kot se je zdelo naše vesolje. Namesto tega mora v teoriji strun energija bodisi nežno upadati v teku milijard let bodisi močno pasti na nič ali negativno vrednost. »V bistvu vsi teoretiki strun verjamejo, da je eno ali drugo. Ne vemo, kateri,« je dejal Cumrun Vafa univerze Harvard.

Opazovalni dokazi za postopno upadanje temne energije bi bili dobro za scenarij nežnega padca. »To bi bilo neverjetno. To bi bilo najpomembnejše odkritje od odkritja same temne energije,« je dejal Vafa.

Toda za zdaj so vse takšne špekulacije zakoreninjene v analizi DESI le na najbolj ohlapen način. Kozmologi bodo morali opazovati več milijonov galaksij, preden bodo resno razmišljali o revoluciji.

"Če to drži, bi lahko osvetlilo pot do novega, potencialno globljega razumevanja vesolja," je dejal Riess. "Naslednjih nekaj let bi moralo biti zelo razkrivajočih."