Ciemna energia - ważą się losy Wszechświata

Wszechświat rozszerza się, a prędkość z jaką galaktyki oddalają się od siebie wzrasta. Na obserwacje Hubble'a nałożone zostały wyniki pomiarów rozbłysków bardzo odległych supernowych, na podstawie których wyciągnięto wnioski, iż tempo ekspansji Wszechświata rośnie, zamiast maleć, na co liczyli zwolennicy hamującego wpływu grawitacji. Co zatem jest powodem takiego zachowania Wszechświata? Nierównomierny rozkład materii nie został potwierdzony doświadczalnie. Podobnie jak defekty geometrii siatki przestrzeni kosmicznej. 

Nie należy jednak wykluczyć istnienia nieznanych jeszcze praw, praw wykraczających swym oddziaływaniem poza ogólna teorię względności. Możliwe, iż w przestrzeniach Wszechświata grawitacja działa inaczej niż przewidują to obliczenia Einsteina. Astrofizycy wierzą jednak, że odpowiedzialną za przyspieszające rozszerzania Wszechświata może być tzw. ciemna energia - postulat jej istnienia jest niezwykle nośny, gdyż oprócz wzrastającej prędkości ekspansji może wyjaśnić także kwestię brakującej masy Wszechświata (blisko 70% istniejącej energii nie ma swojego wyjaśnienia).

Ciemna energia i losy Wszechświata - stała kosmologiczna

Aby ciemna energia spełniała swoją rolę jej oddziaływanie grawitacyjne musi być odpychające. Jest to zgodne z modelem pustej przestrzeni, która w rzeczywistości wypełniona jest wirtualnymi parami cząstek-antycząstek, pojawiającymi się i anihilującymi niemal w tej samej chwili. Cząstki posiadają energię, a ta z kolei, podobnie jak masa (ciemna materia), oddziałuje siłą grawitacji. Jednak w przeciwieństwie do masy, to oddziaływanie może mieć dwojaki charakter. W zależności od tego czy ciśnienie energii jest dodatnie czy ujemne, może ona tworzyć przyciągającą albo odpychającą siłę grawitacji. Obowiązująca teoria przypisuje energii próżni w pustej przestrzeni ciśnienie ujemne, i stąd odpychająca wartość wytwarzanej przez nią siły grawitacji. Ciemna energia przyjmuje tutaj formę stałej kosmologicznej, czynnika zaproponowanego przez Einsteina w celu wyjaśnienia statycznego modelu Wszechświata w oparciu o ogólną teorię względności, odnoszącego się do stałej gęstości energii występującej w przestrzeni. Hipoteza niezmiennej w czasie i przestrzeni gęstości ciemnej energii zdaje się pasować do zgromadzonych wyników obserwacji.

Statyczny charakter tej hipotezy związany jest tutaj z modelem wiecznie rozszerzającego się Wszechświata, a jej przyjęcie oznacza określone konsekwencje dla jego przyszłości, która rozpuści się w mrokach czasu i przestrzeni. Galaktyki będą oddalać się bowiem szybciej niż prędkość światła co sprawi, że staną się niewidoczne dla obserwatorów. Kosmos stanie się mroczną prawie-pustką.

Kwintesencja jako ciemna energia

Inną hipotezą wyjaśniającą źródła i charakteru ciemnej energii jest tzw. “kwintesencja” (Arystotelesowska quinta essentia - piąty żywioł) - nieznane bliżej kwantowe pole energetyczne przenikające przestrzeń kosmiczną i mające atrybuty przeciwdziałające grawitacji. Pole takie nie musi mieć stałej wartości, jego wpływ na Wszechświat może być różny w czasie - w tzw. wariancie “rozmrażania pola” jego wartość zmienia się coraz szybciej, powodując przyspieszoną ekspansję przestrzeni prowadzącą do rozerwania struktur przestrzennych Wszechświata. Dynamiczny charakter hipotezy, i rosnąca bądź malejąca wartość mocy ciemnej energii prowadzi w tym przypadku odpowiednio do tzw. Wielkiego Rozdarcia (wszystkie jądra atomów zostaną rozerwane), lub Wielkiego Skurczu (odwrotność Wielkiego Wybuchu - wariant “zamrożonego pola”). W przypadku rozpatrywania ciemnej energii w charakterze skalarnego pola możliwy jest także scenariusz bezustannego przyspieszania oraz finał w postaci zimnej i ciemnej śmierci.

“Słabość” ciemnej energii

Niestety każde z rozpatrywanych wyjaśnień ma jednak swoje mankamenty. Żadne z nich nie tłumaczy bowiem odnotowanej niewielkiej wartości energetycznego oddziaływania. Innymi słowy, oddziaływanie ciemnej energii jest stosunkowo niewielkie, na tyle silne żeby można je było zaobserwować (i rozpocząć dyskusję), tymczasem wspomniane teorie przewidują jej działanie ze znacznie większą siłą. I tak, rozbieżności między obliczoną według stałej kosmologicznej, a zmierzoną wartością ciemnej energii, nawet z uwzględnieniem istnienia nieodkrytych jeszcze cięższych partnerów dla wszystkich cząstek znanych współczesnej nauce (supersymetria), pozostają na poziomie nawet kilkudziesięciu rzędów wielkości (!). 

Dlaczego zatem stała kosmologiczna ma tak niską wartość? Otóż istnieje pewne wyjaśnienie związane z tzw. zasadą antropiczną oraz konstruktem wieloświata. Niektórzy naukowcy przyjmują możliwość istnienia wielu (nieskończonej liczby) wszechświatów, w których stałe kosmologiczne mogą przyjmować różne możliwe wartości. Tam, gdzie ich wartości byłyby zbyt wysokie i odpychanie zbyt silne nie doszłoby do zawiązania materii, nie powstałyby galaktyki, planety i życie. To, że istniejemy (zasada antropiczna) i możemy obserwować TEN Wszechświat jest wynikiem istnienia w tym właśnie Wszechświecie stałej o konkretnej, odpowiednio niskiej wartości. Stała kosmologiczna nie jest tutaj jednoznacznie ustalona w kontekście obowiązujących praw fizyki, lecz występuje w charakterze przypadkowej zmiennej przyjmującej cały wachlarz możliwych wartości w wielu równoległych wszechświatach. Niektórym astrofizykom wieloświat wydaje się konstrukcją zbyt abstrakcyjną, nie jest on jednak nieprawdopodobny, o czym już pisaliśmy (zachęcamy w tym miejscu do lektury).

Stała kosmologiczna czy kwintesencja

Obecnie to właśnie stała kosmologiczna znajduje się na szczycie możliwych wyjaśnień zaobserwowanego zachowania Wszechświata w kontekście istnienia ciemnej energii. Co na to wskazuje? Najlepszym sposobem badania ciemnej energii jest pomiar stopnia jej ciśnienia w stosunku do gęstości. Dla energii próżni (stała kosmologiczna) wskaźnik ten (w) powinien być stały i wynosić -1, dla zmieniającego się pola (kwintesencja) wskaźnik powinien przyjmować wartości różne od -1 i zmieniające się w trakcie ewolucji Wszechświata. Jeśli nieunikniona okazałaby się transformacja teorii Einsteina, to otrzymane wartości w byłyby różne dla Wszechświata mierzonego w różnych jego skalach.

Jednym ze sposobów badania ciemnej energii jest analiza zmian tempa ekspansji w czasie. To właśnie tego rodzaju badania pozwoliły na odkrycie przyspieszonego tempa rozszerzania Wszechświata. Badając obiekty znajdujące się w różnej odległości i dokonując pomiarów ich tzw. przesunięcia ku czerwieni, czyli stopnia rozciągnięcia fal ich promieniowania w wyniku ekspansji, można obliczyć wartość rozszerzenia Wszechświata od chwili wysłania przez nie promieni świetlnych.

Inną metodą badawczą jest obserwacja zagięcia światła gromad galaktyk zwana soczewkowaniem grawitacyjnym. Ciemna energia przeciwdziała sile grawitacji. Utrudnia przyciąganie galaktyk i tworzenie tzw. gromad. Badając proces formowania gromad galaktyk w czasie można określić siłę ciemnej energii w różnych momentach ewolucji Wszechświata. Stopień zagięcie światła przez gromady galaktyk informuje nas o ich masach, a obliczając wskaźnik zagięcia dla gromad w różnych odległościach (światło z daleka niesie informację z odleglejszej przeszłości) otrzymujemy odpowiedź na pytanie dotyczące jak zmienia się liczba gromad w funkcji czasu.

Otrzymane wyniki pomiarów parametru w oscylują wokół -1 z dokładnością +/- 10%, co zdaje się wskazywać na słuszność hipotezy wiążącej ciemną energię ze stałą kosmologiczną. Badania przesunięcia ku czerwieni różnych supernowych (typu Ia) nie wykazały żadnych zmian w czasie. W tym miejscu należy jednak wspomnieć o istnieniu pewnych obserwacji (np. mikrofalowego promieniowania tła połączonego z soczewkowaniem grawitacyjnym), których wyniki wykazują nieco mniejsze wartości wskaźnika niż modelowe -1. Obserwacje barionowych oscylacji akustycznych odległych kwazarów wskazują z kolei na pewną zmienność gęstości ciemnej energii w funkcji czasu. Porównanie pomiarów dzisiejszego tempa ekspansji z pierwotnym z wykorzystaniem mikrofalowego promieniowania tła także wykazuje spore odchylenia od modelu opartego na stałej kosmologicznej.

Która z przedstawionych hipotez jest właściwa? Natura ciemnej energii póki co pozostaje nieznana, samo jej istnienie jest ciągle dosyć zagadkowe. Być może teorie dotyczące grawitacji nie do końca są poprawne. Być może istnieje inny powód przyspieszającej ekspansji Wszechświata. Jakie będą zatem jego losy? Na razie w grze wciąż są różne scenariusze.