Tamsā enerģija ir noslēpumaina Visuma sastāvdaļa, kas izraisa tā paplašināšanās paātrināšanos. Lai gan tā veido lielāko daļu no Visuma kopējā enerģijas blīvuma, tās precīzā būtība joprojām ir viens no lielākajiem neatrisinātajiem jautājumiem mūsdienu fizikā un kosmoloģijā. Kopš tās atklāšanas 20. gadsimta 90. gadu beigās, novērojot tālas supernovas, tamsā enerģija ir mainījusi mūsu izpratni par kosmisko evolūciju un veicinājusi intensīvus pētījumus gan teorētiskā, gan novērojumu līmenī.
Šajā rakstā apskatīsim:
- Vēsturisko kontekstu un kosmoloģisko konstanti
- Pierādījumi no Ia tipa supernovām
- Papildu metodes: KMF un liela mēroga struktūra
- Tamsās enerģijas būtība: ΛCDM un alternatīvas
- Novērojumu neatbilstības un pašreizējās diskusijas
- Nākotnes perspektīvas un eksperimenti
- Noslēguma domas
1. Vēsturiskais konteksts un kosmoloģiskā konstante
1.1 Einsteina "lielākā kļūda"
1917. gadā, neilgi pēc Bendrosios reliatyvumo teorijos izveides, Albertas Einsteinas savās lauka vienādojumos [1] ieviesa tā saukto kosmoloģisko konstanti (Λ). Tajā laikā valdīja uzskats par statisku, mūžīgu Visumu. Einsteins pievienoja Λ, lai līdzsvarotu gravitācijas spēku kosmiskā mērogā un tādējādi nodrošinātu statisku risinājumu. Tomēr 1929. gadā Edvins Hablē parādīja, ka galaktikas attālinās no mums, kas nozīmēja paplašojošu Visumu. Vēlāk Einsteins, uzskatot, ka paplašojošam Visumam Λ vairs nav nepieciešama, to nosauca par savu "lielāko kļūdu".
1.2 Agrīnas norādes uz nenulles Λ
Neskatoties uz Einšteina nožēlu, nenulles kosmoloģiskās konstantes ideja netika aizmirsta. Vēlāko gadu desmitu laikā fiziķi to apsvēra kvantu lauka teorijas kontekstā, kur vakuuma enerģija var veicināt pašas telpas enerģijas blīvumu. Tomēr līdz 20. gadsimta beigām nebija būtisku novērojumu, kas liecinātu, ka Visuma izplešanās paātrinās. Tāpēc Λ palika drīzāk intriģējoša iespēja nekā stingri pierādīts fenomens.
2. Pierādījumi no Ia tipa supernovām
2.1 Paātrinātais Visums (20. gadsimta 90. gadi)
20. gadsimta 90. gadu beigās divas neatkarīgas grupas — High-Z Supernova Search Team un Supernova Cosmology Project — mērīja tālu Ia tipa supernovu attālumus. Šīs supernovas uzskata par „standarta svecēm“ (precīzāk, standartizētām svecēm), jo to iekšējo gaismas intensitāti var noteikt pēc gaismas līknes.
Moksliniekai tikējās, ka Visatas plētimasis lėtėja veikiamas gravitacijos. Tačiau paaiškėjo, jog tolimos supernovos yra blankesnės nei tikėtasi — vadinasi, jos yra toliau, nei prognozavo lėtėjimo modelis. Stulbinanti išvada: Visatos plėtimasis spartėja [2, 3].
Pamatsecinājums: Ir jāpastāv atgrūdošai „antigravitācijas“ spēkam, kas pārvar kosmisko palēnināšanos — šodien plaši saukta par tumšo enerģiju.
2.2 Nobela prēmijas atzinība
Šie atklājumi, kas mainīja mūsu izpratni par Visumu, noveda pie tā, ka 2011. gadā Nobela fizikas prēmija tika piešķirta Saulam Perlmutteram, Brianam Schmidtam un Adamam Riessam par Visuma paātrinātas izplešanās atklāšanu. Tā tumšā enerģija īsā laikā no teorētiskas hipotēzes kļuva par būtisku kosmoloģiskā modeļa komponentu.
3. Papildu metodes: KMF un liela mēroga struktūra
3.1 Kosmiskais mikroviļņu fons (KMF)
Drīz pēc supernovu atklāšanas gaisa balonu eksperimenti, piemēram, BOOMERanG un MAXIMA, un vēlāk satelītu misijas WMAP un Planck, sniedza ļoti precīzus kosmiskā mikroviļņu fona (KMF) mērījumus. Šo novērojumu dati liecina, ka Visums ir gandrīz telpiski plakans, t.i., kopējais enerģijas blīvuma parametrs Ω ≈ 1. Tomēr gan barjoniskā, gan tumšā matērija veido tikai aptuveni Ωm ≈ 0.3.
Implikācija: Kad Ωtotal = 1, jābūt vēl vienam komponentam, kas aizpilda atlikušo daļu — tumšajai enerģijai, kas veido aptuveni ΩΛ ≈ 0.7 [4, 5].
3.2 Barionu akustiskās svārstības (BAO)
Barionu akustiskās svārstības (BAO) galaktiku izplatībā ir vēl viena neatkarīga Visuma paplašināšanās pētīšanas metode. Salīdzinot novēroto šo “skaņas viļņu” mērogu lielo struktūru kontekstā pie dažādiem sarkano nobīžu līmeņiem, astronomi var atjaunot, kā paplašināšanās mainījās laika gaitā. Lieli plaša mēroga debess pētījumi, piemēram, SDSS (Sloan Digital Sky Survey) un eBOSS, apstiprina supernovu un KMF secinājumus: Visumā dominē tumšā enerģija, kas veicina vēlā perioda paātrinātu paplašināšanos [6].
4. Tumšās enerģijas būtība: ΛCDM un alternatīvas
4.1 Kosmoloģiskā konstante
Vienkāršākais tumšās enerģijas modelis ir kosmoloģiskā konstante Λ. Šajā modelī tumšā enerģija ir nemainīgs enerģijas blīvums, kas piepilda visu telpu. Tas nosaka stāvokļa vienādojuma parametru w = p/ρ = −1, kur p ir spiediens, bet ρ ir enerģijas blīvums. Šāda sastāvdaļa dabiski izraisa paātrinātu paplašināšanos. ΛCDM modelis (Lambda Cold Dark Matter) ir dominējošais kosmoloģiskais modelis, kurā apvienota tumšā matērija (CDM) un tumšā enerģija (Λ).
4.2 Dinamiskā tumšā enerģija
Neskatoties uz panākumiem, Λ rada arī daudz teorētisku grūtību, īpaši kosmoloģiskās konstantes problēmu, kad kvantu lauka teorija prognozē daudz lielāku vakuuma enerģijas blīvumu nekā novērojam. Tas ir veicinājis alternatīvu teoriju apsvērumus:
- Kvintesencija (Quintessence): lėtai riedantis skaliarinis laukas, kurio energijos tankis kinta laikui bėgant.
- Fantominė energija (Phantom Energy): laukas, kurio w < −1.
- k-esence (k-essence): kvintesences vispārinājums ar nekanoniskām kinētiskām sastāvdaļām.
4.3 Modificētā gravitācija
Daži zinātnieki, neatzīstot jaunu enerģijas komponentu, piedāvā modificēt gravitāciju lielos mērogos, piemēram, izmantojot f(R) teorijas, DGP branšu modeļus vai citus Vispārīgās relativitātes teorijas paplašinājumus. Lai gan šādi modeļi reizēm spēj imitēt tumšās enerģijas efektu, tiem jāatbilst arī stingriem gravitācijas pētījumiem lokālā mērogā un datiem par struktūru veidošanos, gravitācijas lēšanos un citiem novērojumiem.
5. Novērojumu neatbilstības un pašreizējās diskusijas
5.1 Habla konstantes spriedze
Uzlabojoties Hablo konstantes (H0) mērīšanas metodēm, atklājās neatbilstība. Balstoties uz Planck satelīta datiem (ekstrapolējot no KMF pēc ΛCDM), H0 ≈ 67,4 ± 0,5 km s−1 Mpc−1, bet vietējo (angļu distance ladder) mērīšanas metožu (piemēram, SH0ES projekts) rezultātā iegūts H0 ≈ 73. Šī aptuveni 5σ neatbilstība var liecināt par jaunu fiziku tumšās enerģijas sektorā vai citiem niansiem, kas nav iekļauti standarta modelī [7].
5.2 Kosmiskais šķērsgriezuma efekts un struktūru augšana
Vājo gravitācijas lēcu (angl. weak lensing) pētījumi, kas vērsti uz Visuma lielo struktūru izpēti, dažkārt rāda nelielas novirzes no ΛCDM prognozēm, kas iegūtas no KMF parametriem. Lai gan šīs novirzes nav tik izteiktas kā Hābla konstantes spriedze, tās tomēr veicina apsvērumus par iespējamu tamsiosios energijos vai neitrīno fizikas korekciju un datu analīzes sistemātiku.
6. Nākotnes perspektīvas un eksperimenti
6.1 Nākotnes kosmiskie projekti
Euclid (ESA): paredzēts veikt plaša mēroga galaktiku formu un spektru mērījumus, lai labāk ierobežotu tamsiosios energijos stāvokļa vienādojumu un lielo struktūru veidošanos.
Nancy Grace Roman kosminis teleskopas (NASA): veiks plaša lauka attēlošanu un spektroskopiju, pētot BAO un vājo gravitācijas lēcu efektu ar nepieredzētu precizitāti.
6.2 Antžeminiai tyrimai
Vera C. Rubin observatorija (Legacy Survey of Space and Time, LSST): izveidos miljardu galaktiku karti, mērīs vājo lēcu efektu signālus un supernovu rādītājus līdz nepieredzētam dziļumam.
DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument): fiksēs ārkārtīgi precīzus miljonu galaktiku un kvazāru sarkano nobīžu mērījumus.
6.3 Teorētiskie lūzumi
Fiziķi turpina padziļināt tamsiosios energijos modeļus — īpaši kvintesences tipa teorijas, kas ļauj mainīgu w(z). Mēģinājumi apvienot gravitāciju un kvantu mehāniku (stīgu teorija, cilpu kvantu gravitācija u.c.) var palīdzēt labāk izprast vakuuma enerģiju. Jebkāda nenoliedzama novirze no w = −1 būtu milzīgs atklājums, liecinot par patiesi jauniem fundamentāliem fizikas likumiem.
7. Noslēguma domas
Vairāk nekā 70% Visuma enerģijas, šķiet, veido tamsioji energija, taču līdz šim mums nav galīgas atbildes, kas tas ir. No Einsteino kosmologinės konstantos līdz pārsteidzošajiem 1998. gada supernovu rezultātiem un pastāvīgiem precīziem kosmiskās struktūras mērījumiem — tamsioji energija ir kļuvusi par būtisku 21. gadsimta kosmoloģijas daļu un potenciālu pieeju revolucionāriem fizikas atklājumiem.
Pūliukai izprast tumšo enerģiju lieliski ilustrē, kā jaunāko novērojumu precizitāte un teorētiskā izpratne savijas kopā. Tiklīdz jaunie teleskopi un eksperimenti sāks sniegt vēl detalizētākus datus — no arvien tālākām supernovām līdz detalizētiem galaktiku kartējumiem un īpaši precīziem KMF mērījumiem — zinātne nonāks jaunu, nozīmīgu atklājumu slieksnī. Neatkarīgi no tā, vai atbilde būs vienkārša kosmoloģiskā konstante, dinamiska skalāra lauka vai modificēta gravitācija, atrisinot tamsiosios energijos mįslę, mūsu Visuma un pamatīgā telpas-laika dabas izpratne neatgriezeniski mainīsies.
Saites un plašāka lasāmviela
Einstein, A. (1917). “Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie.” Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften, 142–152.
Riess, A. G., et al. (1998). “Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant.” The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
Perlmutter, S., et al. (1999). “Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae.” The Astrophysical Journal, 517, 565–586.
de Bernardis, P., et al. (2000). “A Flat Universe from High-Resolution Maps of the Cosmic Microwave Background Radiation.” Nature, 404, 955–959.
Spergel, D. N., et al. (2003). “First-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Determination of Cosmological Parameters.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 148, 175–194.
Eisenstein, D. J., et al. (2005). “Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies.” The Astrophysical Journal, 633, 560–574.
Riess, A. G., et al. (2019). “Large Magellanic Cloud Cepheid Standards Provide a 1% Foundation for the Determination of the Hubble Constant and Stronger Evidence for Physics beyond ΛCDM.” The Astrophysical Journal, 876, 85.
Papildu avoti
Frieman, J. A., Turner, M. S., & Huterer, D. (2008). “Dark Energy and the Accelerating Universe.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 46, 385–432.
Weinberg, S. (1989). “The Cosmological Constant Problem.” Reviews of Modern Physics, 61, 1–23.
Carroll, S. M. (2001). “The Cosmological Constant.” Living Reviews in Relativity, 4, 1.
No kosmiskā mikroviļņu fona mērījumiem līdz Ia tipa supernovu novērojumiem un galaktiku sarkano nobīžu katalogiem ir daudz pierādījumu, ka eksistē tumšā enerģija. Tomēr būtiskie jautājumi — piemēram, tās izcelsme, vai tā patiešām ir nemainīga un kā tā saskan ar kvantu gravitācijas teoriju — paliek neatbildēti. Šo mīklu atrisinājums varētu atvērt jaunus ceļus teorētiskajā fizikā un sniegt dziļāku Visuma izpratni.