Desaťročia teória gravitácie, ktorá vyplýva zo všeobecnej teórie relativity,
V tom čase to vedci prvýkrát zistiliSprávanie vzdialených galaxií nezodpovedá predpovediam teórie gravitácie. Skreslenia časopriestoru zo vzdialených hviezdokôp a hviezdnych systémov sa ukázali byť oveľa silnejšie ako hmotnosť takýchto objektov vypočítaná na základe pozorovaní.
Neskôr, koncom 90. rokov 20. storočia, výskumnícizistil ďalšiu nezvyčajnú skutočnosť. Ukazuje sa, že rýchlosť rozpínania vesmíru sa časom zvyšuje. Tento efekt predstavoval ďalšiu výzvu pre teóriu Alberta Einsteina: gravitačné účinky hmoty mali rozpínanie vesmíru spomaliť, nie urýchliť. Moderný kozmologický model – model ΛCDM – našiel odpovede na tieto otázky, no vedci sa nevzdávajú nádeje napadnúť génia prvej polovice 20. storočia.
Prečo si vedci myslia, že vesmír sa rozširuje zrýchleným tempom?
Zrýchlené rozpínanie vesmíru bolo objavené v r1998 ako výsledok práce dvoch nezávislých tímov naraz: projektu Supernova Cosmology Project a High-Z Supernova Search Group.Obe výskumné skupiny študovali zrýchlenie expanzie vesmíru pomocou analýzy vzdialených hviezdnych výbuchov.
Supernovy typu La majú takmer to istéštandardná svietivosť. Pozorovaním jasu takýchto objektov je možné určiť, ako ďaleko sú. Navyše, ako sa vesmír rozpína, svetlo zo vzdialených objektov sa posúva na červenú stranu spektra. Meraním červeného posunu je možné určiť, o koľko sa vesmír rozšíril od vzniku supernovy.
Astrofyzici počas týchtoexperimenty boli presvedčené, že vesmír by sa mal rozširovať pomalším tempom, po ktorom by sa proces mal zastaviť alebo začať kontrahovať. No neočakávaným výsledkom, ku ktorému obe skupiny vedcov nezávisle dospeli, bolo, že vesmír sa zrýchľuje.
Rozpínanie vesmíru bolo neskôr potvrdenéiné metódy. Meranie kozmologického mikrovlnného pozadia (stopy Veľkého tresku), efekty gravitačnej šošovky a analýza baryónových akustických oscilácií potvrdzujú hypotézu expanzie vesmíru.
V roku 2007 boli obom tímom, ktoré objavili efekt rozpínania vesmíru, udelená Gruberova cena v oblasti kozmológie a v roku 2011 bola trom z účastníkov udelená Nobelova cena za fyziku.
Zrýchlená expanzia vesmíru. Obrázok: NASA, STSci, Ann Feild
Ako vysvetliť zrýchlenú expanziu?
Na vysvetlenie pozorovaní (rozpínanie vesmíru a silnejšie skreslenie časopriestoru zo vzdialených galaxií) vedci predstavili dva nové modely – temnú hmotu a temnú energiu.
Tmavá hmota je hypotetická formahmota, ktorá podľa vedcov tvorí asi 85 % hmoty vo vesmíre. Nazýva sa tmavý, pretože nijako neinteraguje s elektromagnetickým poľom. Inými slovami, takáto hmota neodráža, neabsorbuje ani nevyžaruje svetlo a iné elektromagnetické vlny. Má však svoju vlastnú hmotnosť, a teda aj gravitačný vplyv. Pridanie temnej hmoty do kozmologických modelov pomáha vysvetliť silnejšiu gravitáciu vzdialených galaxií.
Temná energia je hypotetická formaenergie, na rozdiel od tmavej hmoty sa o nej vie len málo. Temná energia je považovaná za veľmi homogénnu, nie veľmi hustú a nemôže interagovať so žiadnou zo základných síl okrem gravitácie. Táto energia je spojená s energiou vákua. Ak predpokladáme, že ako sa vesmír rozpína a voľný priestor zväčšuje, táto energia narastá, potom sa dá vysvetliť prechod od rovnomernej expanzie k zrýchlenej.
Aj keď hypotéza temnej energie opisuje dobreprocesy pozorované vo Vesmíre, jeho samotnú existenciu a interakciu len s gravitačným poľom je ťažké spájať so všeobecnou teóriou relativity a Einsteinovou teóriou gravitácie.
Ako otestovať teóriu?
Niektorí vedci sa domnievajú, že ak teóriagravitácia nedokáže vysvetliť tmavú energiu, možno je neúplná a do rovnice musíme pridať ďalší parameter alebo premennú, ktorá spojí všetky pozorovania dohromady. Aby vedci overili túto hypotézu, hľadajú v minulosti známky porušenia teórie gravitácie.
Jednou z takýchto prác je medzinárodný výskumtemnej energie pomocou 4-metrového teleskopu Victora Blanca v Čile. Výsledky tohto pozorovania boli prezentované v auguste na Medzinárodnej konferencii o časticovej fyzike a kozmológii (COSMO’22) v Rio de Janeiro.
Účastníci štúdie hľadali dôkazyskutočnosť, že gravitačná sila sa v priebehu histórie vesmíru alebo v dávnej minulosti menila. Na svoju prácu využili okrem hlavného teleskopu Blanco aj údaje z družice Planck Európskej vesmírnej agentúry.
Astrofyzici študovali obrazy galaxií naprítomnosť jemnejších skreslení v dôsledku zakrivenia priestoru temnou hmotou - efekt nazývaný slabá gravitačná šošovka. Sila gravitácie určuje veľkosť a distribúciu štruktúr temnej hmoty a veľkosť a distribúcia zase určujú, ako zakrivené sa nám tieto galaxie javia.
Meraním všetkých týchto parametrov je možné určiť silugravitácie vo vzdialených galaxiách. A keďže svetlu z nich trvá milióny a miliardy rokov, kým sa k nám dostane, vedci v podstate skúmajú, ako sa gravitácia správala v minulosti.
Vedci uviedli, že už študovaligravitačné sily a tvary vo viac ako 100 miliónoch galaxií, no vo všetkých experimentoch sú pozorovania plne v súlade s Einsteinovou teóriou. Povaha temnej energie teda zostáva záhadou.
Gravitačné šošovky, podobne ako to, čo je vidieť na prvom obrázku Jamesa Webba, pomáhajú vedcom skúmať temnú hmotu a gravitáciu vo vzdialených systémoch. Obrázok: NASA, ESA, CSA, STScI
Čo bude ďalej?
Einsteinova teória stále platí, ale výskumnícinaďalej testovať jeho silu. Nový pokus o vysvetlenie podstaty temnej energie urobia satelitné misie. Európska vesmírna agentúra plánuje spustiť vesmírny teleskop Euclid v roku 2023. Prístroje zariadenia budú merať červený posun galaxií nachádzajúcich sa v rôznych vzdialenostiach od Zeme a skúmať vzťah medzi červeným posunom a vzdialenosťou.
Vývojári očakávajú, že Euclid bude schopnýpozri sa 8 miliárd rokov dozadu. Pomocou ultra presných meraní bude môcť zistiť, ako to bolo s gravitáciou, temnou hmotou a temnou energiou v tejto ére.
NASA plánuje podobnú misiu:v roku 2027 plánuje vypustiť na obežnú dráhu Zeme rímsky vesmírny teleskop Nancy Grace. Vedci veria, že bude schopný študovať galaxie vo vzdialenosti 11 miliárd svetelných rokov a študovať najstarší vesmír.
Čítaj viac:
Prvé zábery podzemnej časti Marsu vedcov prekvapili
Od tela k ústam: vedci pochopili, odkiaľ sa zuby vzali
Kde na planéte bude do roku 2100 najnebezpečnejšie: bola zverejnená nová mapa
Obálka: Dizajn Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, cez Wikimedia Commons