Vuosikymmenien ajan yleisestä suhteellisuusteoriasta peräisin oleva painovoimateoria,
Tällä kertaa tutkijat huomasivat sen ensimmäisen kerranKaukaisten galaksien käyttäytyminen ei vastaa painovoimateorian ennusteita. Kaukaisten klustereiden ja tähtijärjestelmien aiheuttamat aika-avaruuden vääristymät osoittautuivat paljon voimakkaammiksi kuin tällaisten esineiden havaintojen perusteella laskettu massa.
Myöhemmin, 1990-luvun lopulla, tutkijatlöysi toisen epätavallisen tosiasian. Osoittautuu, että maailmankaikkeuden laajenemisnopeus kasvaa ajan myötä. Tämä vaikutus asetti toisen haasteen Albert Einsteinin teorialle: aineen gravitaatiovaikutusten piti hidastaa maailmankaikkeuden laajenemista, ei nopeuttaa sitä. Moderni kosmologinen malli - ΛCDM-malli - on löytänyt vastaukset näihin kysymyksiin, mutta tutkijat eivät luovu toivosta haastaakseen 1900-luvun ensimmäisen puoliskon nerouden.
Miksi tiedemiehet luulevat, että maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä vauhdilla?
Universumin kiihtynyt laajeneminen havaittiin vuonna1998 kahden itsenäisen ryhmän, Supernova Cosmology Projectin ja High-Z Supernova Search Groupin työn tuloksena.Molemmat tutkimusryhmät tutkivat maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymistä analysoimalla kaukaisia tähtien räjähdyksiä.
La-tyypin supernovat ovat melkein samatstandardi kirkkaus. Tarkkailemalla tällaisten kohteiden kirkkautta voidaan määrittää, kuinka kaukana ne ovat. Lisäksi universumin laajentuessa kaukaisista kohteista tuleva valo siirtyy spektrin punaiselle puolelle. Punasiirtymää mittaamalla voidaan määrittää, kuinka paljon universumi on laajentunut supernovan esiintymisen jälkeen.
Astrofyysikot näiden aikanakokeissa uskottiin, että maailmankaikkeuden pitäisi laajentua hitaammin, minkä jälkeen prosessin pitäisi joko pysähtyä tai alkaa supistua. Mutta odottamaton tulos, johon molemmat tiederyhmät itsenäisesti päätyivät, oli, että maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä nopeudella.
Universumin laajeneminen vahvistettiin myöhemminmuita menetelmiä. Kosmologisen mikroaaltotaustan mittaus (alkuräjähdyksen jäljet), gravitaatiolinssien vaikutukset ja baryonin akustisten värähtelyjen analyysi vahvistavat hypoteesin universumin laajenemisesta.
Vuonna 2007 molemmat ryhmät, jotka löysivät maailmankaikkeuden laajenemisen vaikutuksen, saivat Gruber-palkinnon kosmologian alalla, ja vuonna 2011 kolme osallistujaa sai fysiikan Nobelin.
Universumin nopeutettu laajeneminen. Kuva: NASA, STSci, Ann Feild
Kuinka selittää nopeutunut laajentuminen?
Selvittääkseen havaintoja (universumin laajeneminen ja aika-avaruuden voimakkaampi vääristymä kaukaisista galakseista) tutkijat esittelivät kaksi uutta mallia - pimeän aineen ja pimeän energian.
Pimeä aine on hypoteettinen muotoainetta, jonka tiedemiehet uskovat muodostavan noin 85 % maailmankaikkeuden aineesta. Sitä kutsutaan pimeäksi, koska se ei ole vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen kentän kanssa millään tavalla. Toisin sanoen tällainen aine ei heijasta, absorboi tai lähetä valoa ja muita sähkömagneettisia aaltoja. Sillä on kuitenkin oma massansa ja siten myös gravitaatiovaikutus. Pimeän aineen lisääminen kosmologisiin malleihin auttaa selittämään kaukaisten galaksien voimakkaamman painovoiman.
Pimeä energia on hypoteettinen muotoenergiasta, toisin kuin pimeässä aineessa, tiedetään vähän. Pimeän energian uskotaan olevan hyvin homogeeninen, ei kovin tiheä, eikä se voi olla vuorovaikutuksessa muiden perusvoimien kuin painovoiman kanssa. Tämä energia liittyy tyhjiöenergiaan. Jos oletetaan, että kun universumi laajenee ja vapaa tila kasvaa, tämä energia kasvaa, niin siirtyminen tasaisesta laajenemisesta kiihtyvään voidaan selittää.
Vaikka pimeän energian hypoteesi kuvaa hyvinuniversumissa havaitut prosessit, sen olemassaolo ja vuorovaikutus vain gravitaatiokentän kanssa on vaikea yhdistää yleiseen suhteellisuusteoriaan ja Einsteinin gravitaatioteoriaan.
Kuinka testata teoriaa?
Jotkut tutkijat uskovat, että jos teoriapainovoima ei voi selittää pimeää energiaa, ehkä se on epätäydellinen, ja yhtälöön on lisättävä ylimääräinen parametri tai muuttuja, joka yhdistää kaikki havainnot. Tämän hypoteesin testaamiseksi tutkijat etsivät menneisyydestä merkkejä painovoimateorian rikkomisesta.
Yksi tällainen työ on kansainvälinen tutkimuspimeää energiaa käyttämällä 4-metristä Victor Blanco -teleskooppia Chilessä. Tämän havainnon tulokset esiteltiin elokuussa kansainvälisessä hiukkasfysiikan ja kosmologian konferenssissa (COSMO’22) Rio de Janeirossa.
Tutkimukseen osallistuneet etsivät todisteitase tosiasia, että painovoima on muuttunut koko maailmankaikkeuden historian tai kaukaisessa menneisyydessä. Työhönsä he käyttivät Blanco-pääteleskoopin lisäksi Euroopan avaruusjärjestön Planck-satelliitin tietoja.
Astrofyysikot ovat tutkineet kuvia galakseistahienovaraisempia vääristymiä, jotka johtuvat pimeän aineen kaarevasta avaruudesta - ilmiötä kutsutaan heikoksi gravitaatiolinssiksi. Painovoiman voimakkuus määrittää pimeän aineen rakenteiden koon ja jakautumisen, ja koko ja jakautuminen puolestaan määräävät, kuinka kaarevat nämä galaksit näyttävät meistä.
Kaikki nämä parametrit mittaamalla on mahdollista määrittää voimagravitaatio kaukaisissa galakseissa. Ja koska heiltä tuleva valo kestää miljoonia ja miljardeja vuosia päästäkseen meihin, tutkijat pohjimmiltaan tutkivat painovoiman käyttäytymistä menneisyydessä.
Tutkijat ilmoittivat jo tutkineensagravitaatiovoimia ja muotoja yli 100 miljoonassa galaksissa, mutta kaikissa kokeissa havainnot ovat täysin yhdenmukaisia Einsteinin teorian kanssa. Joten pimeän energian luonne pysyy mysteerinä.
Gravitaatiolinssi, kuten ensimmäisessä James Webb -kuvassa, auttaa tutkijoita tutkimaan pimeää ainetta ja painovoimaa kaukaisissa järjestelmissä. Kuva: NASA, ESA, CSA, STScI
Mitä seuraavaksi?
Einsteinin teoria on edelleen voimassa, mutta tutkijatjatkaa voimansa testaamista. Uusi yritys selittää pimeän energian luonnetta tehdään satelliittitehtävillä. Euroopan avaruusjärjestö aikoo laukaista Euclid-avaruusteleskoopin vuonna 2023. Laitteen instrumentit mittaavat eri etäisyyksillä Maasta sijaitsevien galaksien punasiirtymiä ja tutkivat punasiirtymän ja etäisyyden välistä suhdetta.
Kehittäjät odottavat Euclidin pystyvän siihenkatso 8 miljardia vuotta taaksepäin. Huipputarkkojen mittausten avulla hän pystyy selvittämään, kuinka painovoiman, pimeän aineen ja pimeän energian asiat olivat tällä aikakaudella.
NASA suunnittelee samanlaista tehtävää:Vuonna 2027 se aikoo laukaista roomalaisen Nancy Grace -avaruusteleskoopin Maan kiertoradalle. Tutkijat uskovat, että hän pystyy tutkimaan 11 miljardin valovuoden etäisyydellä sijaitsevia galakseja ja tutkimaan varhaisinta maailmankaikkeutta.
Lue lisää:
Ensimmäiset kuvat Marsin maanalaisesta osasta yllättivät tutkijat
Kehosta suuhun: tutkijat ovat ymmärtäneet, mistä hampaat ovat peräisin
Missä planeetalla on vaarallisin vuoteen 2100 mennessä: uusi kartta on julkaistu
Kansi: Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commonsin kautta