Skrivnost temne energije

Nekaj let pred koncem dvajsetega stoletja se je ameriški astrofizik Saul Perlmutter lotil iskanja odgovora na nenavadno vprašanje. Zanimalo ga je, ali bo vesolje nekoč v daljni prihodnosti morda prenehalo obstajati. Teoretični modeli razvoja vesolja so namreč napovedovali, da se vesolje lahko širi v neskončnost, vendar le, če v vesolju ni dovolj snovi, da bi privlačna sila med galaksijami v nekem trenutku napihovanje ustavila. V primeru, da bi se vesolje začelo krčiti, bi zelo verjetno prej ali slej končalo kot zelo gosta in vroča gmota, ki bi spominjala na razmere med velikim pokom ob rojstvu vesolja. To bi pomenilo, da vesolja, vsaj takega, kot ga poznamo danes, ne bi bilo več.

Se bo vesolje nekoč končalo?

Perlmutter se je razjasnjevanja dileme, ali bo vesolje obstajalo večno ali ne, lotil z opazovanjem eksplozij oddaljenih supernov. Nekatere zvezde eksplodirajo v supernove natanko takrat, ko se v njih zbere ravno dovolj snovi, da se sproži vžig eksplozije. Takrat se zvezde tipa bele pritlikavke spremenijo v supernove tipa 1A. Ker vse zažarijo povsem enako svetlo oziroma eksplodirajo na povsem enak način, so zelo uporabne za merjenje razdalj v astronomiji.

Astronomi pravijo takšnim dogodkom v vesolju, ki jih lahko uporabljajo za ocenjevanje medzvezdnih razdalj, standardni svetilniki. Podobno kot lahko iz svetlosti povsem enakih žarnic, ki svetijo na različnih razdaljah, ocenimo, katera nam je bližje in katera je bolj oddaljena, lahko isto tehniko uporabimo tudi za ocenjevanje razdalj do oddaljenih zvezd in galaksij.

Perlmutterju je z ekipo sodelavcev uspelo na nebu izslediti 42 umirajočih zvezd, ki so eksplodirale kot supernove tipa 1A, in jih natančno preučiti. Pričakoval je, da se hitrost širjenja vesolja s časom zmanjšuje, a po analizi meritev se je izkazalo, da se v vesolju dogaja nekaj zelo nenavadnega. Iz meritev oddaljenosti in hitrosti oddaljevanja umirajočih zvezd je sledilo, da se hitrost napihovanja vesolja s časom ne zmanjšuje, ampak se nasprotno povečuje. Oddaljene eksplozije zvezd so bile bistveno manj svetle, kot so pričakovali, kar je pomenilo, da se vesolje napihuje pospešeno.

Znanstveno skupnost so rezultati eksperimenta presenetili. Astronomi so bili sprva nad meritvami skeptični, še posebej, ker je bila analiza narejena le na nekaj deset supernovah. A do povsem enakega zaključka je kmalu prišla tudi druga neodvisna skupina znanstvenikov, ki je prav tako opazovala eksplozije oddaljenih supernov. Ko so meritve potrdile tudi nove raziskave, so vodje raziskovalnih skupin za svoje odkritje pospešenega napihovanja vesolja leta 2011 prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.

Kaj poganja pospešeno napihovanje vesolja?

Ko je postalo jasno, da se vesolje napihuje pospešeno, so se znanstveniki začeli intenzivno ukvarjati z vprašanjem, kaj to pospeševanje poganja. Ker nihče ni znal pojasniti, zakaj pride do pospešenega napihovanja, so vzrok tega nenavadnega pojava poimenovali s skrivnostnim izrazom temna energija. Označba seveda ne pomeni, da gre za nekakšno temačno silo, ampak bolj za opis nevednosti, saj še vedno nihče ne ve, kaj temna energija sploh je.

Za matematični opis učinka temne energije na vesolje se je kot priročen izkazal pristop, ki ga je uporabil že Albert Einstein pred stotimi leti. Ko je Einstein iznašel splošno teorijo relativnosti, v kateri je opisal gravitacijo kot ukrivljanje prostora-časa, je ugotovil, da lahko svoje enačbe uporabi tudi za izračun razvoja vesolja skozi čas. Težava pa je bila, da rešitve njegovih enačb niso predvidele statičnega oziroma nespremenljivega vesolja, ampak le vesolje, ki se napihuje ali krči.

Splošno prepričanje v začetku dvajsetega stoletja je bilo, da se vesolje na velikih razdaljah ne spreminja. Einstein je v svoje enačbe zato dodal še člen, katerega edini namen je bil, da omogoči tudi statično vesolje. Dodatni člen, ki so ga poimenovali gravitacijska konstanta, je Einstein interpretiral kot lastnost prostora, vendar ni bilo jasno, kaj naj bi to dejansko pomenilo. Z dodatkom je postala splošna teorija relativnosti skladna s takratno predstavo o vesolju, Einsteinove enačbe pa so postale malo manj lepe v smislu, da niso imele več tako elegantnega matematičnega zapisa.

Vendar potrebe po dodatku v enačbah kmalu ni bilo več. Astronom Edwin Hubble je s takrat največjim teleskopom na svetu najprej pokazal, da je vesolje bistveno večje, kot so do tedaj domnevali. Vesolje ni le naša galaksija, ki jo obkroža praznina, ampak obstaja še množica drugih galaksij. Nekaj let kasneje je izmeril tudi, da se druge galaksije oddaljujejo od naše, kar pomeni, da vesolje ni statično, ampak se v resnici napihuje.

Hubblovo odkritje leta 1929 je imelo pomembne posledice tako za znanost kot tudi za naše vsakdanje dojemanje vesolja, saj je bilo iz hitrosti napihovanja vesolja mogoče izračunati, kdaj se je napihovanje začelo. Vesolju so tako lahko izračunali starost.

Einstein je ob Hubblovem odkritju z veseljem ugotovil, da za kozmološko konstanto v njegovih enačbah ni več nobene potrebe, zato je njeno uvedbo označil kot največjo zablodo v svoji znanstveni karieri. Če bi namreč bolj zaupal svojim enačbam, bi lahko že pred Hubblovim odkritjem zmagoslavno napovedal, da vesolje ni statično. Vendar dejstvo, da niti Einstein, ki je podvomil v absolutnost prostora in časa, ni podvomil v nespremenljivost vesolja, pove veliko o tem, kako nepričakovano je bilo Hubblovo odkritje.

Einsteinove enačbe splošne relativnosti sicer odlično opišejo napihovanje vesolja, kot ga je izmeril Hubble, ne predvidevajo pa pospešenega napihovanja, kot so ga nedavno izmerili z opazovanjem supernov. Fiziki so morali zato ponovno na pomoč poklicati kozmološko konstanto, za katero se je že zdelo, da je bila uvedena povsem brez potrebe. Njen namen v enačbah pa sedaj ni bil, da vesolje naredi statično, ampak da pojasni njegovo pospešeno napihovanje.

Čudaške lastnosti temne energije

Ena od nenavadnih lastnosti temne energije je, da ostaja njena gostota enaka ne glede na to, koliko se vesolje napihne. Z drugimi besedami rečeno to pomeni, da napihovanje vesolja temne energije ne redči, kot je to primer z zvezdami in galaksijami, ampak je gostota temne energije vseskozi enaka. Zdi se, kot da temna energija v medzvezdnem prostoru neprestano na novo nastaja.

Kako pojasniti, da temna energija nastaja skupaj s širjenjem prostora, je velika uganka. Čudno obnašanje in čudaške okoliščine so vsaj v moderni fiziki praviloma v domeni kvantne teorije, zato so se znanstveniki za poskus pojasnitve temne energije sprva zatekli po pomoč v svet kvantnih pojavov.

Kvantni delci lahko nastajajo in ponovno izginjajo, če le ne živijo predolgo. Če obstajajo le tako kratek čas, da so še v domeni kvantne nedoločenosti, se lahko kar naključno pojavljajo in izginjajo. Temu pojavu pravijo kvantne fluktuacije in ideja je bila, da bi se morda dalo na ta način pojasniti čudaške lastnosti temne energije. Če je prostora več, bo pač več delcev nastajalo in izginjalo, kar lahko pojasni konstantno gostoto temne energije tudi med napihovanjem vesolja.

Vendar izračuni učinka, ki naj bi ga prispevale takšne kvantne fluktuacije, niso obrodili sadov. Vrednost, do katere so prišli z izračuni, je bila zelo napačna. Kozmološka konstanta, ki so jo izračunali na takšen način, se je od izmerjene vrednosti razlikovala kar za faktor 10¹²⁰.

Čeprav znanstveniki še ne vedo, kaj je temna energija, znajo dokaj natančno oceniti, koliko je je v vesolju. Iz različnih meritev sledi, da vesolje sestavlja samo 5 odstotkov običajne materije v obliki atomov, iz katere smo zgrajeni ljudje, planeti in zvezde. Nadaljnjih 25 odstotkov vesolja predstavlja temna snov, 70 odstotkov pa je temne energije. Trenutno je v pripravi nekaj velikih mednarodnih eksperimentov, ki naj bi z natančnejšimi meritvami dodatno razjasnili, kaj sestavlja naše vesolje. Nadejajo se, da bodo tako dobili tudi več podatkov o temni energiji.

-