Jedną z najbardziej intrygujących zagadek współczesnej nauki jest ekspansja wszechświata i zrozumienie natury ciemnej energii i ciemnej materii. To, co obserwujemy – gwiazdy, galaktyki, planety, a nawet życie na Ziemi – wydaje się być jedynie pięcioma procentami całości wszechświata i znane jest jako materia barionowa. Pozostałe dziewięćdziesiąt pięć procent to ciemna materia i ciemna energia, które, choć nieuchwytne dla bezpośredniej obserwacji, mają głęboki wpływ na strukturę, dynamikę i ostateczny los wszechświata.
Najnowsze odkrycia w dziedzinie ciemnej energii i jej roli w dynamicznym rozwoju Wszechświata zostały poczynione dzięki danym z projektu Dark Energy Spectroscopic Instrument Survey w skrócie DESI, na podstawie których zespół astronomów stworzył szczegółową, trójwymiarową mapę kosmosu, obejmującą imponującą liczbę sześciu milionów galaktyk. Te wyniki pozwoliły na najprecyzyjniejsze zbadanie procesu ekspansji Wszechświata do tej pory, oferując niezrównany wgląd w naturę ciemnej energii i jej wpływu na wielkoskalowe struktury kosmiczne.
Najnowsze filmy
Projekt DESI, w którym uczestniczy ponad dziewięciuset naukowców z całego świata, jest ambitną inicjatywą międzynarodową, mającą na celu stworzenie najobszerniejszej mapy kosmosu, zawierającej czterdzieści milionów galaktyk. Dark Energy Spectroscopic Instrument jest częścią Teleskopu Mayalla, obserwatorium o średnicy czterech metrów, które znajduje się w Kitt Peak w Arizonie. Ten dość niewielki teleskop oraz instrument DESI są obecnie kluczowe w badaniach nad historią ekspansji Wszechświata oraz zagadkową ciemną energią.
Kelly Douglass z Uniwersytetu Rochester podkreśla, że dane zgromadzone przez DESI stanowią znaczący postęp w porównaniu do dotychczasowych osiągnięć. Już w pierwszym roku pracy, DESI zebrał dane o galaktykach i kwazarach, które są sześciokrotnie obszerniejsze niż wszystkie dotychczasowe dane spektroskopowe z ostatnich czterdziestu lat. To jednak tylko początek procesu, który pozwoli naukowcom dokładniej zbadać wczesne etapy istnienia Wszechświata, kiedy to przeżywał on szybką ekspansję.
Od momentu rozpoczęcia badań w dwa tysiące dwudziestym pierwszym roku, Dark Energy Spectroscopic Instrument dostarczał danych, które pozwoliły na głębokie analizy, publikowane w serii artykułów w bazie preprintów arXiv. Dzięki DESI, naukowcy mogą wyruszyć w podróż wstecz aż o jedenaście miliardów lat, obserwując światło z dalekich zakątków kosmosu, co umożliwia mapowanie Wszechświata w jego najwcześniejszych latach istnienia oraz monitorowanie jego rozszerzania. To prowadzi do lepszego zrozumienia ewolucji Wszechświata i rozwiązania jednej z największych kosmologicznych zagadek: natury ciemnej energii.
Szacuje się, że średnia gęstość Wszechświata to około dziewięć i dziewięć dziesiątych razy dziesięć do potęgi minus trzydziestej, gramów na centymetr sześcienny (9,9×10−30 g/cm3). Na cztery metry sześcienne przestrzeni przypada średnio jeden atom wodoru, a to naprawdę bardzo, bardzo mało. Jak już wspomniałem we wstępie, to, co jest nam dostępne do bezpośredniej obserwacji – od gwiazd i galaktyk, po egzoplanety, asteroidy i cały kosmiczny pył stanowi nie więcej niż pięć procent całkowitej masy Wszechświata. Tą część składową nazywamy materią barionową.
Pozostałe dziewięćdziesiąt pięć procent to dla nas obszar niezbadany, zdominowany przez ciemną materię i ciemną energię, których istnienie można tylko pośrednio wywnioskować. Te tajemnicze składniki nie są widoczne dla naszych instrumentów, ponieważ nie wysyłają ani nie odbijają światła, a ich obecność można jedynie rozpoznać przez efekty grawitacyjne, które wywierają na otaczającą je materię. A więc podobnie jak to jest na przykład w przypadku czarnych dziur. Naukowcy przywołują te efekty, by wyjaśnić, dlaczego galaktyki obracają się w sposób, którego nie można byłoby wyjaśnić obecnością tylko widocznej materii, lub dlaczego galaktyki w gromadach poruszają się tak, jakby były częścią znacznie większej, niewidzialnej struktury.
Wszechświat w znacznej większości składa się więc z nieemitujących i nieodbijających promieniowania, póki co nieobserwowalnych i niewykrywalnych ciemnej energii oraz ciemnej materii. W ich przypadku więcej jest znaków zapytania niż faktów, nie są oficjalnie potwierdzone i ich właściwości są w większości nieznane.
Według danych uzyskanych przez satelitę Planck, naukowcy doszli do wniosku, że Ciemna energia stanowi około sześćdziesiąt osiem i trzy dziesiąte procenta, a ciemna materia dwadzieścia sześć i osiem dziesiątych. Nie mamy jak na razie sposobu na ich bezpośrednią obserwację, tak więc możemy jedynie analizować, to w jaki sposób oddziałują na materię barionową czyli taką, którą jesteśmy w stanie zobaczyć i obserwować. Czym więc mogą być dwa główne, tajemnicze składniki wszechświata?
Ciemna materia, oddziałuje grawitacyjnie tak samo jak materia widzialna i działa spowalniająco na rozszerzanie się wszechświata. Aktualnie działa już pięć detektorów ciemnej materii, jednak tak jak mówiłem, nie udało się jej bezpośrednio zaobserwować.
Z kolei ciemna energia, ma stanowić swego rodzaju wyjaśnienie tempa ekspansji wszechświata. Ma ona wypełniać całą przestrzeń, wywierać na nią ujemne ciśnienie i być właśnie odpowiedzialną za jego rozszerzanie.
Podsumowując – ciemna materia hamuje proces rozszerzania się wszechświata, a ciemna energia przyśpiesza ten proces.
Wiemy już z czym mamy do czynienia więc wróćmy teraz do DESI, który został wykorzystany do prowadzenia analizy tak zwanych oscylacji akustycznych barionów w skrócie BAO, czyli fenomenu opisanego już w roku tysiąc dziewięćset siedemdziesiątym przez późniejszego laureata Nagrody Nobla, Jima Peeblesa. Zgodnie z jego teorią, na wczesnym etapie istnienia Wszechświata, formująca się grawitacja i promieniowanie doprowadziły do powstania dźwiękowych fal zwanych oscylacjami akustycznymi barionów.
W tym okresie, Wszechświat był nasycony gorącą, gęstą plazmą. Interakcje grawitacyjne w połączeniu z ciśnieniem i promieniowaniem stworzyły rodzaj bąbli – sferycznych fal akustycznych poruszających się przez plazmę.
Około trzysta osiemdziesiąt tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, Wszechświat ostygł na tyle, że te procesy się zatrzymały. Zastygłe bąble utworzyły obszary o zwiększonej gęstości materii. Wszechświat nie pozostał jednak nieruchomy, zaczął się rozszerzać, co spowodowało rozprzestrzenianie się bąbli. Ślady BAO zauważono po raz pierwszy w dwa tysiące piątym roku podczas analizy danych z obserwacji galaktyk, tym samym potwierdzono teorię Peeblesa.
Patronite
Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!W swoim inauguracyjnym roku działalności, DESI skorzystał z danych z niemal sześciu milionów galaktyk i kwazarów, aby zmierzyć rozmiar BAO i oszacować tempo rozszerzania się Wszechświata, znane jako stała Hubble’a, oraz zbadać ograniczenia dotyczące gęstości ciemnej materii i ciemnej energii. Wcześniej uważano, że Wszechświat rozszerza się w równomiernym tempie, jednak odkrycia z tysiąc dziewięćset dziewięćdziesiątego dziewiątego roku pokazały, że tempo to przyspiesza.
Jedno z kluczowych pytań, na które DESI stara się znaleźć odpowiedź, dotyczy natury ciemnej energii: czy jest ona stałą kosmologiczną, czyli czy posiada jednolitą wartość we wszystkich obszarach Wszechświata, czy też jej właściwości zmieniają się w czasie i przestrzeni. A badania na temat BAO sugerują, że ciemna energia może wcale nie być jednorodną stałą kosmologiczną. Czy w takim wypadku oznacza to, że podlega ona ewolucji?
Michael Levi, dyrektor DESI z Lawrence Berkeley National Laboratory stwierdził, że do tej pory ich odkrycia w większości pokrywają się z obecnie przyjmowanym modelem kosmologicznym, ale faktycznie zauważyli również niektóre różnice, które mogą sugerować, iż ciemna energia zmienia się w czasie i wcale nie jest tak stała, jak twierdzono do tej pory.
I tutaj cała na biało wkracza Hipoteza Wielkiego Kolapsu.
W modelu kosmologicznym, znanym jako Lambda-CDM, przyjmuje się, że ciemna energia jest niezmienna w czasie, co sugeruje, że przyszłość Wszechświata będzie charakteryzowała się nieskończoną ekspansją. Profesor Carlos Frenk z Uniwersytetu w Durham, będący współautorem badań, wskazuje jednak, że jeżeli ciemna energia nie jest stała, jak sugerują najnowsze odkrycia, to konieczne będzie całkowite przemyślenie naszego rozumienia fundamentalnych zasad fizyki, teorii Wielkiego Wybuchu oraz przewidywań dotyczących długofalowej przyszłości Wszechświata. Wskazuje to na możliwość, że Wszechświat może zmierzać do tzw. Wielkiego Kolapsu.
Jest to teoria sugerująca, że rozprzestrzenianie się Wszechświata nie będzie procesem wiecznym, zakłada, że po osiągnięciu pewnego punktu, pod wpływem sił grawitacyjnych, ekspansja zacznie zwalniać, a następnie odwróci się, prowadząc do stopniowego kurczenia się Wszechświata.
Weryfikacja najnowszych tez na temat ciemnej energii wymagać będzie oczywiście jeszcze dalszych badań. Nasza wiedza na ten temat jest niestety cały czas dość skromna. W miarę dostępności nowych danych, społeczność naukowa będzie dokonywać korekt i dostosowywać swoje teorie.
Wszechświat jest czymś niewyobrażalnie wielkim i wręcz całkowicie wymykającym się naszemu pojmowaniu, no i cóż może i jest nieskończony, a może nie jest, tego raczej nigdy się nie dowiemy. Ale jedno czego możecie być pewni to, tego, że jeśli tylko pojawią się jakieś nowe wieści na temat ciemnej energii lub ciemnej materii to będziemy was o tym informować.
