Przez dziesięciolecia teoria grawitacji, która wynika z ogólnej teorii względności,
W tym czasie naukowcy po raz pierwszy odkryli toZachowanie odległych galaktyk nie odpowiada przewidywaniom teorii grawitacji. Zniekształcenia czasoprzestrzeni od odległych gromad i układów gwiezdnych okazały się znacznie silniejsze niż masa takich obiektów obliczona na podstawie obserwacji.
Później, pod koniec lat 90., badaczeodkrył kolejny niezwykły fakt. Okazuje się, że tempo ekspansji wszechświata wzrasta z czasem. Ten efekt stanowił kolejne wyzwanie dla teorii Alberta Einsteina: grawitacyjne efekty materii miały spowolnić ekspansję wszechświata, a nie ją przyspieszyć. Współczesny model kosmologiczny – model ΛCDM – znalazł odpowiedzi na te pytania, ale naukowcy nie tracą nadziei, by rzucić wyzwanie geniuszowi pierwszej połowy XX wieku.
Dlaczego naukowcy sądzą, że wszechświat rozszerza się w przyspieszonym tempie?
Przyspieszona ekspansja wszechświata została odkryta w1998 w wyniku pracy dwóch niezależnych zespołów jednocześnie: Supernova Cosmology Project i High-Z Supernova Search Group.Obie grupy badawcze badały przyspieszenie ekspansji Wszechświata poprzez analizę odległych eksplozji gwiazd.
Supernowe typu La mają prawie to samostandardowa jasność. Obserwując jasność takich obiektów można określić ich odległość. Ponadto, w miarę rozszerzania się wszechświata, światło z odległych obiektów przesuwa się na czerwoną stronę widma. Mierząc przesunięcie ku czerwieni, można określić, jak bardzo wszechświat rozszerzył się od czasu pojawienia się supernowej.
Astrofizycy podczas nicheksperymenty były pewne, że Wszechświat powinien rozszerzać się w wolniejszym tempie, po czym proces powinien albo się zatrzymać, albo zacząć się kurczyć. Jednak nieoczekiwanym rezultatem, do którego niezależnie doszły obie grupy naukowców, było to, że Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie.
Ekspansja wszechświata została później potwierdzonainne metody. Pomiar kosmologicznego tła mikrofalowego (ślady Wielkiego Wybuchu), efekty soczewkowania grawitacyjnego oraz analiza oscylacji akustycznych barionu potwierdzają hipotezę ekspansji Wszechświata.
W 2007 roku oba zespoły, które odkryły skutki rozszerzania się Wszechświata, otrzymały Nagrodę Grubera w dziedzinie kosmologii, a w 2011 roku trzech uczestników otrzymało Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Przyspieszona ekspansja wszechświata. Zdjęcie: NASA, STSci, Ann Feild
Jak wytłumaczyć przyspieszoną ekspansję?
Aby wyjaśnić obserwacje (ekspansja Wszechświata i silniejsze zniekształcenie czasoprzestrzeni przez odległe galaktyki), naukowcy wprowadzili dwa nowe modele – ciemną materię i ciemną energię.
Ciemna materia to hipotetyczna formamateria, która według naukowców stanowi około 85% materii we wszechświecie. Nazywa się to ciemnym, ponieważ w żaden sposób nie oddziałuje z polem elektromagnetycznym. Innymi słowy, taka materia nie odbija, nie pochłania ani nie emituje światła i innych fal elektromagnetycznych. Ma jednak swoją masę, a co za tym idzie wpływ grawitacyjny. Dodanie ciemnej materii do modeli kosmologicznych pomaga wyjaśnić silniejszą grawitację odległych galaktyk.
Ciemna energia to hipotetyczna formaenergia, w przeciwieństwie do ciemnej materii, niewiele o niej wiadomo. Uważa się, że ciemna energia jest bardzo jednorodna, niezbyt gęsta i nie może oddziaływać z żadną z podstawowych sił poza grawitacją. Ta energia jest związana z energią próżni. Jeśli przyjmiemy, że wraz ze wzrostem Wszechświata i wzrostem wolnej przestrzeni energia ta wzrasta, to przejście od jednorodnej do przyspieszonej ekspansji można wyjaśnić.
Chociaż hipoteza ciemnej energii dobrze opisujeprocesy obserwowane we Wszechświecie, samo jego istnienie i oddziaływanie tylko z polem grawitacyjnym trudno powiązać z ogólną teorią względności i teorią grawitacji Einsteina.
Jak przetestować teorię?
Niektórzy uczeni uważają, że jeśli teoria…grawitacja nie może wyjaśnić ciemnej energii, być może jest niekompletna, a do równania należy dodać dodatkowy parametr lub zmienną, która powiąże wszystkie obserwacje. Aby sprawdzić tę hipotezę, naukowcy szukają w przeszłości oznak naruszenia teorii grawitacji.
Jedną z takich prac są badania międzynarodoweciemną energię za pomocą 4-metrowego Teleskopu Victora Blanco w Chile. Wyniki tej obserwacji zaprezentowano w sierpniu na Międzynarodowej Konferencji Fizyki Cząstek i Kosmologii (COSMO'22) w Rio de Janeiro.
Uczestnicy badania szukali dowodówfakt, że siła grawitacji zmieniała się w historii wszechświata lub w odległej przeszłości. Do swojej pracy wykorzystali, oprócz głównego teleskopu Blanco, dane z satelity Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej.
Astrofizycy badali obrazy galaktyk naobecność bardziej subtelnych zniekształceń spowodowanych zakrzywieniem przestrzeni przez ciemną materię – efekt zwany słabym soczewkowaniem grawitacyjnym. Siła grawitacji determinuje rozmiar i rozmieszczenie struktur ciemnej materii, a rozmiar i rozmieszczenie z kolei określa, jak zakrzywione wydają nam się te galaktyki.
Mierząc wszystkie te parametry, można określić siłęgrawitacja w odległych galaktykach. A ponieważ światło z nich dociera do nas przez miliony i miliardy lat, naukowcy badają, jak grawitacja zachowywała się w przeszłości.
Naukowcy poinformowali, że już studiowalisiły grawitacyjne i kształty w ponad 100 milionach galaktyk, ale we wszystkich eksperymentach obserwacje są w pełni zgodne z teorią Einsteina. Tak więc natura ciemnej energii pozostaje tajemnicą.
Soczewkowanie grawitacyjne, jak to widać na pierwszym zdjęciu Jamesa Webba, pomaga naukowcom badać ciemną materię i grawitację w odległych układach. Zdjęcie: NASA, ESA, CSA, STScI
Co dalej?
Teoria Einsteina wciąż jest aktualna, ale badaczenadal testować jego siłę. Nową próbę wyjaśnienia natury ciemnej energii podejmą misje satelitarne. Europejska Agencja Kosmiczna planuje wystrzelenie teleskopu kosmicznego Euclid w 2023 roku. Instrumenty urządzenia będą mierzyć przesunięcie ku czerwieni galaktyk znajdujących się w różnych odległościach od Ziemi i badać związek między przesunięciem ku czerwieni a odległością.
Deweloperzy oczekują, że Euclid będzie w staniespojrzeć wstecz 8 miliardów lat. Za pomocą ultraprecyzyjnych pomiarów będzie mógł dowiedzieć się, jak wyglądały rzeczy z grawitacją, ciemną materią i ciemną energią w tej epoce.
NASA planuje podobną misję:w 2027 r. planuje wystrzelić rzymski teleskop kosmiczny Nancy Grace na orbitę okołoziemską. Naukowcy są przekonani, że będzie mógł badać galaktyki znajdujące się w odległości 11 miliardów lat świetlnych i badać najwcześniejszy wszechświat.
Czytaj więcej:
Pierwsze zdjęcia podziemnej części Marsa zaskoczyły naukowców
Od ciała do ust: naukowcy zrozumieli, skąd pochodzą zęby
Gdzie na świecie będzie najbardziej niebezpiecznie do 2100: opublikowano nową mapę
Okładka: Projekt Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, za pośrednictwem Wikimedia Commons