Nowe ustalenia dotyczące ciemnej energii i jej wpływu na rozszerzający się Wszechświat

Korzystając z danych zebranych w pierwszym roku działalności Dark Energy Spectroscopic Instrument Survey (DESI), astronomowie opracowali trójwymiarową mapę kosmosu, która zawiera aż sześć milionów galaktyk. Dzięki tym wysiłkom badacze uzyskali wgląd w historię ekspansji Wszechświata z największą jak dotąd precyzją, zapewniając bezprecedensowe spojrzenie na naturę ciemnej energii i jej wpływ na wielkoskalową strukturę Wszechświata.

DESI to międzynarodowy projekt, w którym uczestniczy ponad 900 naukowców z całego świata. To jeden z wielkoskalowych przeglądów nieba, którego celem jest zmapowanie 40 milionów galaktyk i stworzenie największej i zawierającej najdokładniejsze pomiary trójwymiarowej mapy kosmosu. DESI jest częścią Teleskopu Mayalla o średnicy zwierciadła wynoszącej 4 metry i znajduje się na szczycie Kitt Peak w Arizonie. Instrument umożliwia badanie historii ekspansji Wszechświata i tajemniczej ciemnej energii.

Instrument rozpoczął swoje badania w 2021 r., a niedawno astronomowie poinformowali o przeprowadzonej analizie danych zebranych przez pierwszy rok jego pracy. Wyniki swoich badań uczeni opublikowali w serii artykułów opublikowanych na serwerze preprintów arXiv.

Ogromne możliwości DESI pozwalają badaczom spojrzeć 11 miliardów lat w przeszłość. Światło z odległych obiektów kosmicznych dociera do DESI, umożliwiając naukowcom mapowanie kosmosu takim, jakim był w młodości, a jednocześnie śledzenie jego ekspansji. Ale pełne zrozumienie ewolucji Wszechświata wiąże się z rozwikłaniem jednej z największych tajemnic kosmologicznych, czyli ustaleniu, czym właściwie jest ciemna energia.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

- Dane DESI to ogromny wzrost w porównaniu z wszystkim, co zebraliśmy wcześniej – mówi Kelly Douglass z Uniwersytetu Rochester. - Próbka galaktyk i kwazarów zebrana w pierwszym roku pracy DESI jest już sześciokrotnie większa niż połączone pomiary ze wszystkich poprzednich badań spektroskopowych przeprowadzonych w ciągu ostatnich 40 lat – dodaje. Ale to dopiero początek. Pełny zbiór danych, jak sugerują badacze, umożliwi bliższe przyjrzenie się początkom naszego Wszechświata – okresowi, w którym Wszechświat przechodził szybką, wykładniczą ekspansję.

Wszystko, co możemy dostrzec w otaczającym nas świecie – gwiazdy, galaktyki, kwiaty czy nasze ciała – stanowi zaledwie 5 proc. masy Wszechświata. To tzw. materia barionowa. Reszta, zgodnie z wiodącymi teoriami kosmologicznymi, składa się z dwóch elementów: ciemnej materii i ciemnej energii. Ich istnienie jest wnioskowane pośrednio, bo te hipotetyczne substancje są niewidoczne, nie emitują i nie odbijają promieniowania świetlnego, dlatego bardzo trudno je wykryć. Ale ich istnienie zdradzają wywierane efekty grawitacyjne, przynajmniej w ten sposób naukowcy tłumaczą anomalie w rotacji galaktyk i ruchu galaktyk w gromadach. Widzialnej materii jest zbyt mało, aby można było wytłumaczyć zachodzące w tych przypadkach efekty.

Uważa się, że ciemna materia utrzymuje galaktyki razem i działa jak klej spajający je. Natomiast ciemna energia, jak sądzą badacze, przyspiesza ekspansję Wszechświata. Czyli wiodące teorie kosmologiczne traktują ciemną materię jako element spowalniający ekspansję Wszechświata, a ciemną energię jako coś, co ją stale przyspiesza.

DESI służy do pomiaru tzw. barionowych oscylacji akustycznych (baryon acoustic oscillations – BAOs). W 1970 roku późniejszy laureat Nagrody Nobla Jim Peebles opisał pewne zjawisko, wysuwając teorię, zgodnie z którą, w momencie, kiedy istniał jeszcze pierwotny Wszechświat, tworząca się grawitacja oraz promieniowanie przyczyniły się do powstania fal dźwiękowych nazwanych barionowymi oscylacjami akustycznymi.

Na tamtym etapie istnienia Wszechświat był wypełniony gorącą, gęstą plazmą. Oddziaływania grawitacyjne oraz ciśnienie promieniowania wytworzyły swego rodzaju bąble - sferyczne fale akustyczne, które przemieszczały się przez plazmę.

Około 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu, Wszechświat ostygł już na tyle, że proces ten się zatrzymał. Dotychczasowe bąble zatrzymały się i uległy zamrożeniu, jako obszary o większej gęstości tworzącej się materii. Wszechświat jednak nie pozostał statyczny, a zaczął się rozszerzać. A wraz z nim również i bąble. Astronomowie po raz pierwszy natrafili na ślad BAO w roku 2005, przy okazji analizowania danych dotyczących okolicznych galaktyk.

W pierwszym roku swojej działalności DESI wykorzystał blisko sześć milionów galaktyk i kwazarów do pomiaru wielkości BAO i oszacowania szybkości rozszerzania się Wszechświata, wielkości znanej jako stała Hubble'a. BAO wykorzystuje się także do ograniczania gęstości ciemnej materii i ciemnej energii. Naukowcy przez lata uważali, że Wszechświat rozszerza się w stałym tempie, ale w 1999 roku odkryto, że tempo ekspansji przyspiesza. Przypuszcza się, że za przyspieszenie odpowiada ciemna energia.

Kolejnym pytaniem, na które DESI stara się odpowiedzieć, jest to, czy ciemna energia jest stałą kosmologiczną, czyli czy ma stałą wartość w całym Wszechświecie, czy też jej właściwości różnią się w czasie i przestrzeni. Pomiary BAO wykonane przez DESI sugerują, że ciemna energia może nie być stałą kosmologiczną.

- Instrument DESI przekształcił Teleskop Mayalla w wiodącą na świecie kosmiczną maszynę kartograficzną – mówi Pat McCarthy, dyrektor NOIRLab. - Zespół DESI ustanowił nowy standard w badaniach wielkoskalowych struktur Wszechświata. Dane z pierwszego roku to dopiero początek wysiłków mających na celu odkrycie historii ekspansji Wszechświata – dodaje.

Dane te pozwoliły astronomom zmierzyć tempo ekspansji Wszechświata aż do 11 miliardów lat wstecz, kiedy Wszechświat miał zaledwie jedną czwartą swojego obecnego wieku. Dzięki wyjątkowej zdolności DESI do mapowania milionów obiektów zarówno bliskich, jak i dalekich, rozmieszczenie BAO może służyć jako coś na kształt kosmicznej linijki. Mapując pobliskie galaktyki i odległe kwazary, astronomowie mogą mierzyć rozprzestrzenianie się BAO w kilku okresach historii kosmosu, aby zobaczyć, jak zachowywała się ciemna energia.

- Jesteśmy niesamowicie dumni z uzyskanych wyników z zakresu kosmologii – mówi Michael Levi z Lawrence Berkeley National Laboratory, dyrektor DESI. - Jak dotąd widzimy podstawową zgodność z naszym najlepszym modelem kosmologicznym, ale widzimy także pewne potencjalnie interesujące różnice, które mogą wskazywać, że ciemna energia ewoluuje w czasie – dodaje.

W najpopularniejszym modelu kosmologicznym, czyli modelu Lambda-CMD, ciemna energia została ujęta jako stała kosmologiczna. Jak wyjaśnia profesor Carlos Frenk z Uniwersytetu w Durham, współautor badań, jeśli ciemna energia rzeczywiście jest stała w czasie, przyszłość Wszechświata jest prosta: będzie się rozszerzał bez końca. Ale jeśli wskazówki znalezione na mapie się sprawdzą, zostanie to zakwestionowane. - Jeśli tak się stanie będziemy musieli zaczynać od zera, a to oznacza zrewidowanie naszego zrozumienia podstawowej fizyki, naszego zrozumienia samego Wielkiego Wybuchu oraz naszego zrozumienia długoterminowych prognoz dla Wszechświata – mówi, dodając jednocześnie, że wskazówki widoczne na mapie pozostawiły otwartą możliwość, że Wszechświat może czekać Wielki Kolaps.

Wielki Kolaps (z j. ang. Big Crunch) to hipoteza, która zakłada, że rozszerzanie się Wszechświata nie będzie trwać wiecznie. Koncepcja ta sugeruje, że pod wpływem grawitacji ekspansja kosmosu będzie stopniowo zwalniała aż do momentu, w którym się zatrzyma i zacznie się proces odwrotny – Wszechświat zacznie się kurczyć.

Chociaż historia ekspansji Wszechświata może być bardziej złożona, niż wcześniej sądzono, potwierdzenie ustaleń dotyczących ciemnej energii musi poczekać na zakończenie projektu DESI. W miarę udostępniania większej liczby danych astronomowie będą korygować swoje ustalenia.