Dešimtmečius gravitacijos teorija, kuri išplaukia iš bendrojo reliatyvumo,
Tuo metu mokslininkai pirmą kartą tai atradoTolimų galaktikų elgesys neatitinka gravitacijos teorijos prognozių. Erdvės laiko iškraipymai iš tolimų spiečių ir žvaigždžių sistemų pasirodė daug stipresni nei tokių objektų masė, apskaičiuota remiantis stebėjimais.
Vėliau, 1990-ųjų pabaigoje, tyrinėtojaiatrado dar vieną neįprastą faktą. Pasirodo, visatos plėtimosi greitis laikui bėgant didėja. Šis efektas iškėlė dar vieną iššūkį Alberto Einšteino teorijai: gravitacinis materijos poveikis turėjo sulėtinti Visatos plėtimąsi, o ne jį pagreitinti. Šiuolaikinis kosmologinis modelis – ΛCDM modelis – rado atsakymus į šiuos klausimus, tačiau mokslininkai nepraranda vilties mesti iššūkį XX amžiaus pirmosios pusės genijui.
Kodėl mokslininkai mano, kad visata plečiasi sparčiai?
Paspartėjęs Visatos plėtimasis buvo atrastas m1998 m. kaip dviejų nepriklausomų komandų darbo rezultatas iš karto: Supernovos kosmologijos projektas ir High-Z Supernovos paieškos grupė. Abi tyrėjų grupės tyrė Visatos plėtimosi pagreitį, analizuodamos tolimus žvaigždžių sprogimus.
La tipo supernovos turi beveik tą patįstandartinis šviesumas. Stebint tokių objektų ryškumą galima nustatyti, kokiu atstumu jie yra. Be to, visatai plečiantis, šviesa iš tolimų objektų pasislenka į raudonąją spektro pusę. Matuojant raudonąjį poslinkį galima nustatyti, kiek visata išsiplėtė po to, kai atsirado supernova.
Astrofizikai per šiuoseksperimentai buvo įsitikinę, kad Visata turėtų plėstis lėčiau, o po to procesas turėtų arba sustoti, arba pradėti trauktis. Tačiau netikėtas rezultatas, kurį abi mokslininkų grupės pasiekė nepriklausomai, buvo tai, kad Visata plečiasi vis sparčiau.
Visatos plėtimasis vėliau buvo patvirtintaskiti metodai. Kosmologinio mikrobangų fono matavimas (Didžiojo sprogimo pėdsakai), gravitacinio lęšio efektai ir barioninių akustinių virpesių analizė patvirtina Visatos plėtimosi hipotezę.
2007 m. abi komandos, atradusios Visatos plėtimosi efektą, buvo apdovanotos Gruberio premija kosmologijos srityje, o 2011 m. trys iš dalyvių buvo apdovanotos Nobelio fizikos premija.
Paspartintas visatos plėtimasis. Vaizdas: NASA, STSci, Ann Feild
Kaip paaiškinti pagreitėjusią plėtrą?
Norėdami paaiškinti stebėjimus (Visatos plėtimąsi ir stipresnį erdvės laiko iškraipymą iš tolimų galaktikų), mokslininkai pristatė du naujus modelius – tamsiąją materiją ir tamsiąją energiją.
Tamsioji medžiaga yra hipotetinė formamedžiaga, kuri, mokslininkų nuomone, sudaro apie 85% visatos materijos. Jis vadinamas tamsiuoju, nes niekaip nesąveikauja su elektromagnetiniu lauku. Kitaip tariant, tokia medžiaga neatspindi, nesugeria ir neišskiria šviesos ir kitų elektromagnetinių bangų. Tačiau ji turi savo masę, taigi ir gravitacinę įtaką. Tamsiosios medžiagos įtraukimas į kosmologinius modelius padeda paaiškinti stipresnę tolimų galaktikų gravitaciją.
Tamsioji energija yra hipotetinė formaenergijos, skirtingai nei tamsioji medžiaga, apie ją mažai žinoma. Manoma, kad tamsioji energija yra labai vienalytė, nėra labai tanki ir negali sąveikauti su jokiomis pagrindinėmis jėgomis, išskyrus gravitaciją. Ši energija yra susijusi su vakuumine energija. Jei darytume prielaidą, kad Visatai plečiantis ir didėjant laisvai erdvei ši energija didėja, tai galima paaiškinti perėjimą nuo vienodo plėtimosi prie pagreitinto plėtimosi.
Nors tamsiosios energijos hipotezė gerai apibūdinaVisatoje stebimus procesus, patį jos egzistavimą ir sąveiką tik su gravitaciniu lauku sunku susieti su bendrąja reliatyvumo teorija ir Einšteino gravitacijos teorija.
Kaip patikrinti teoriją?
Kai kurie mokslininkai mano, kad jei teorijagravitacija negali paaiškinti tamsiosios energijos, galbūt ji yra neišsami, todėl prie lygties reikia pridėti papildomą parametrą arba kintamąjį, kuris sujungs visus stebėjimus. Norėdami patikrinti šią hipotezę, mokslininkai praeityje ieško gravitacijos teorijos pažeidimo požymių.
Vienas iš tokių darbų – tarptautiniai tyrimaitamsioji energija naudojant 4 metrų Viktoro Blanco teleskopą Čilėje. Šio stebėjimo rezultatai buvo pristatyti rugpjūčio mėnesį Rio de Žaneire vykusioje tarptautinėje dalelių fizikos ir kosmologijos konferencijoje (COSMO’22).
Tyrimo dalyviai ieškojo įrodymųfaktas, kad gravitacijos jėga keitėsi per visatos istoriją arba tolimoje praeityje. Savo darbui jie, be pagrindinio Blanco teleskopo, naudojo duomenis iš Europos kosmoso agentūros Planck palydovo.
Astrofizikai tyrinėjo galaktikų vaizdussubtilesnių iškraipymų dėl erdvės kreivumo tamsiosios medžiagos buvimas – efektas vadinamas silpnu gravitaciniu lęšiu. Gravitacijos stiprumas lemia tamsiosios medžiagos struktūrų dydį ir pasiskirstymą, o dydis ir pasiskirstymas savo ruožtu lemia, kaip mums atrodo išlenktos šios galaktikos.
Išmatavus visus šiuos parametrus, galima nustatyti jėgągravitacija tolimose galaktikose. Ir kadangi iš jų gaunama šviesa mus pasiekia per milijonus ir milijardus metų, iš esmės mokslininkai tiria, kaip gravitacija elgėsi praeityje.
Tyrėjai pranešė, kad jie jau studijavogravitacinių jėgų ir formų daugiau nei 100 milijonų galaktikų, tačiau visuose eksperimentuose stebėjimai visiškai atitinka Einšteino teoriją. Taigi tamsiosios energijos prigimtis tebėra paslaptis.
Gravitacinis lęšis, kaip ir pirmame Jameso Webbo paveiksle, padeda mokslininkams tyrinėti tamsiąją medžiagą ir gravitaciją tolimose sistemose. Vaizdas: NASA, ESA, CSA, STScI
Kas toliau?
Einšteino teorija vis dar galioja, tačiau tyrinėtojaitoliau bando savo jėgas. Naujas bandymas paaiškinti tamsiosios energijos prigimtį bus atliktas palydovų misijomis. Europos kosmoso agentūra planuoja paleisti Euklido kosminį teleskopą 2023 m. Prietaiso prietaisai išmatuos skirtingais atstumais nuo Žemės esančių galaktikų raudonuosius poslinkius ir tirs ryšį tarp raudonojo poslinkio ir atstumo.
Kūrėjai tikisi, kad Euklidas sugebėspažvelgti atgal 8 milijardus metų. Itin tikslių matavimų pagalba jis galės išsiaiškinti, kaip šioje eroje buvo gravitacija, tamsioji medžiaga ir tamsioji energija.
NASA planuoja panašią misiją:2027 metais ji planuoja į Žemės orbitą paleisti Nancy Grace romėnų kosminį teleskopą. Tyrėjai mano, kad jis galės ištirti galaktikas, esančias 11 milijardų šviesmečių atstumu, ir ištirti ankstyviausią visatą.
Skaityti daugiau:
Pirmieji požeminės Marso dalies vaizdai nustebino mokslininkus
Nuo kūno iki burnos: mokslininkai suprato, iš kur atsirado dantys
Kurioje planetos vietoje iki 2100 m. bus pavojingiausia: paskelbtas naujas žemėlapis
Viršelis: Dizainas Alexas Mittelmannas, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, per Wikimedia Commons