Egyre gyorsabban tágul a világegyetem - megfejtették, hogy miért

Szupernóva robbanás művészi ábrája

Két friss kutatás szerint is a sötét energia egy korábban ismeretlen új formája magyarázhatja meg, hogy az elméleti jóslással szemben, miért tágul gyorsulva az univerzum. Az asztrofizikusok a sötét energiának egy új, az ősrobbanás után háromszázezer évig létező nyomaira bukkantak, és a kozmológusok szerint ez lehet az a titokzatos anyag, ami az univerzumot folyamatosan gyorsuló tágulásra kényszeríti.

De mi is az a titokzatos sötét energia?

A kozmológiai szakirodalomban a sötét energia olyan, az egész univerzumot kitöltő hipotetikus energiaforma, amely antigravitációs hatású, vagyis negatív nyomást fejt ki. Albert Einstein 1916-ban publikált általános relativitáselméletéből az következik, hogy a sötét energia negatív nyomása nagy távolságokon semlegesíti a gravitációs vonzást.

Albert Einstein alkotta meg az általános relativitáselméletet, illetve a téridő fogalmát Forrás:Popper Foto/Getty Images

Jelenleg ez, a sötét energiára vonatkozó teória a legáltalánosabban elfogadott magyarázat arra a csillagászati megfigyelésekkel is alátámasztott tényre, hogy az univerzum gyorsulva tágul. A számítások szerint az általunk ismert einsteini (véges, de határtalan) univerzum 74 %-át teszi ki a titokzatos sötét energia, 22 %-át a sötét anyag (olyan, csillagászati műszerekkel megfigyelhetetlen anyagfajta, ami semmilyen elektromágneses sugárzást nem bocsát ki) 3,6 százalékát a csillagközi gáztömeg adja ki, és csupán a fennmaradó 0,4 % alkotja a csillagok és egyéb égitestek tömegét.

A látható anyag az univerzum alig négy százalékát teszi ki Forrás: NASA

Az egyik megközelítés szerint a sötét energia egyenletesen tölti ki a teret, vagyis konstans energiasűrűségnek számít, más értelmezésben viszont egy olyan dinamikus erőtér, amelynek térben és időben is változhat az energiaszintje. Az ezt a két megközelítést egyesítő úgynevezett Lambda-CDM modell pedig igen jól egyezik az empirikus csillagászati megfigyelésekkel is.

Érdemes megjegyezni, hogy a sötét energiára vonatkozó első bizonyítékok magyar csillagászoktól, Paál Györgytől és munkatársaitól származnak,

akik már 1992-ben a rádió és optikai kvazárok vöröseltolódásából a sötét energia létezésére következtettek.

Egy szupernóva-robbanás illusztrációja Forrás: Afp

Az 1990-es évek végén más kutatók az úgynevezett Ia típusú szupernóvák megfigyeléséből jutottak ugyanerre a konklúzióra. A 2000-es évek elején további források, így például a gravitációs lencsék, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás,

valamint a szupernóvák pontosabb megfigyelései is megerősítették azt, hogy az univerzum gyorsulva tágul.

Ez a felfedezés 2011-ben fizikai Nobel-díjat ért három kutató, Samuel Perlmutter, Brian P. Schmidt, valamint Adam Riesset számára.

Samuel Perlmutter, Brian P. Schmidt, és Adam Riesset az univerzum gyorsuló tágulásával kapcsolatos kutatásaikért nyerték el a 2011-es fizikai Nobel-díjat Forrás: Nobel Prize

A sötét energia létezése azonban nemcsak az univerzum gyorsuló tágulását magyarázhatja meg, hanem az úgynevezett hiányzó tömeg problematikáját, vagyis a teret kitöltő nem észlelhető anyag kérdéskörét is.

A korai sötét energia, ami egyszerűen felszívódott az univerzumban

Az arXiv oldalán a múlt hónapban közzétett két önálló tanulmány számol be a korai sötét energia nyomainak felfedezéséről, a chilei ATC (Atacama Cosmology Telescope) műszerrel 2013 és 2016 között végzett megfigyelések feldolgozása alapján. Noha a felfedezés megerősítéséhez még további megfigyelések szükségesek, de a bejelentés így is alapvető fontosságú mérföldkő lehet a világegyetem gyorsulva táguló folyamatának megértéséhez.

Szupernóva robbanás művészi ábrája Forrás: Afp

Ha ugyanis helytállónak bizonyul a felfedezés, ez elvezethet annak a régi rejtélynek a megoldásához, miszerint a korai univerzum állapota nem egyeztethető össze a világegyetem jelenlegi tágulási sebességével.

A ciheli Atacama Cosmology Telescope (ATC) kozmológiai megfigyelő műszer Forrás: Lambda-Gfsc- NASA

A tanulmányok szerzői maguk is megjegyzik, hogy ehhez további észlelések szükségesek részben az ATC, részben pedig az Antarktiszon működő South Pole Telescope (SPT) segítségével, amivel precízebben tesztelhetik az eddigi eredményeket. Mindkét műszer a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást figyeli,

amit az asztrofizikusok gyakran az ősrobbanás „utófénylésének" neveznek.

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (CBM) olyan, az egész univerzumot kitöltő elektromágneses sugárzás, ami az ősrobbanás után nagyjából 300 ezer éve, az atommagok és az elektronok atomokká történt egyesülésekor keletkezett.

Az ősrobbanás művészi ábrázolása Forrás: Solar Story

A mikrohullámú háttérsugárzás számít az ősrobbanás egyik legkomolyabb bizonyítékának, amelynek hőmérséklete az univerzum tágulása miatt folyamatosan csökken. Az egész világegyetemet kitöltő kozmikus mikrohullámú sugárzás apró változásainak felmérésével sikerült bizonyítékot találni a kozmológia standard modelljére is, ami három fő komponensre vezeti vissza a világegyetem fejlődését; a sötét energiára, az előzőhöz hasonlóan szintén titokzatos sötét, valamint a rendes anyagra.

A táguló univerzum modellje az ősrobbanástól napjainkig Forrás: NASA

A jelenleg legpontosabb CBM térképből, az Európai Űrügynökség 2009 és 2013 között összeállított térképéből egészen pontosan meg lehetett határozni az univerzum tágulási sebességét. A legutóbb elvégzett és még precízebb mérések eredménye azonban megdöbbentette a tudósokat, mert a korábban számítottakhoz öt-tíz százalékkal nagyobb érték adódott a tágulás sebességére.

Marc Kamionkowski, a Johns Hopkins Egyetem asztrofizikus professzora Forrás: Johns Hopkins University

E jelenség megmagyarázására elsőként Marc Kamionkowski, a Johns Hopkins Egyetem kutatója javasolta a korai sötét energia beillesztését a standard modellbe. Kamionkowski és munkatársai szerint a korai sötét energia átitatta az egész univerzumot, de néhány százezer évvel az ősrobbanást követően, teljesen eltűnt.

Később történt az ősrobbanás a jelenleg hivatalos időmeghatározáshoz képest

A most publikált két kutatás eredménye, ami kimutatja a korai sötét energia nyomait, sokkal jobban illeszkedik Kamionkowski teóriájához, mint a standard kozmológiai elmélethez. Ez a korai sötét energia semmiféleképpen sem lehetett olyan erős, mint a jelenlegi „normál" sötét energia, viszont hozzájárulhatott az ősrobbanás során kialakult szuperforró plazma gyors lehűléséhez.

Az ősrobbanás, az univerzum keletkezésének kezdő pillanata, az elméleti fizika legnagyobb, máig nem pontosan tisztázott kérdése Forrás: Space Wallpapers

A korai sötét energia létének bebizonyítása a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás kialakulási mechanizmusával kapcsolatos ismereteinket is pontosíthatja. Ráadásul az ATC-vel végzett megfigyelések arra utalnak,

hogy a korai sötét energia miatt a standard modellel számított 13,8 milliárd évhez képest később, 12,4 milliárd éve történt az ősrobbanás.

Ennek megfelelően az univerzum tágulási sebessége is mintegy öt százalékkal nagyobb a standard kozmológiai modellhez képest, ami szintén jól illeszkedik a legfrissebb mérésekhez.

A sötét energia létét Einstein kozmológiai állandója is előrevetítette Forrás: TrendinTech

A felfedezés értékét jelentősen megnöveli, hogy a publikációt jegyző tudósokon kívül két másik kutatócsoport is ugyanerre az eredményre jutott az ATC megfigyelési adatsorából. Noha az ATC polarizációs adatai valóban a korai sötét energia létére utalnak, ezt még más műszerekkel elvégzett megfigyelésekkel is alá kell támasztani. Éppen ezért a kutatók soron következő lépésként az antarktiszi SPT méréseivel fogják összevetni az eredményeiket, hogy megerősítsék a korai sötét anyagra vonatkozó rendkívül nagy jelentőségű felfedezést.

Felhasznált források:

New type of dark energy could solve Universe expansion mystery, Nature, 17 September 2021,

Pál Bernadett: A titokzatos sötét energia új fajtájára bukkanhattak, Csillagászat.hu Csillagászati Hírportál, 2021. szeptember 26.