Nedavne analize velikih kosmoloških posmatranja ukazuju na mogućnost da tamna energija, komponenta odgovorna za ubrzano širenje svemira, možda ne ostaje konstantna tokom kosmičke istorije. Tim kosmologa okupljen oko eksperimenta DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) objavio je prošlog proleća rezultate koji sugerišu odstupanja od standardnog kosmološkog modela, poznatog kao ΛCDM. Nove analize, zasnovane na približno dvostruko većem skupu podataka, dodatno pojačavaju ovu indikaciju.
„Sigurniji smo nego prošle godine da posmatrani signal nije slučajan”, izjavio je Sešadri Nadathur, član DESI kolaboracije, naglašavajući da rezultati i dalje ne predstavljaju konačan dokaz, već statistički značajnu napetost sa standardnim modelom. Slični zaključci pojavljuju se i u analizama nezavisne kolaboracije Dark Energy Survey (DES).
C. Flammarion–Universum–Paris, 1888.Colored, Heliocentric, Panorama
Kosmološka pozadina
Krajem 1990-ih, posmatranja udaljenih supernova tipa Ia pokazala su da se širenje svemira ubrzava. Najjednostavnije objašnjenje tog ubrzanja uvodi se kroz kosmološku konstantu Λ, koju je još Ajnštajn dodao u jednačine opšte teorije relativnosti. U savremenoj interpretaciji, Λ se povezuje sa energijom vakuuma, čija gustina ostaje konstantna dok se prostor širi.
U okviru ΛCDM modela, tamna energija ima konstantnu gustinu i pritisak, sa parametrom stanja 𝑤 = −1. Parametar stanja 𝑤 opisuje odnos pritiska (p) i gustine energije (ρ) kroz relaciju 𝑤 = 𝑝 / (𝜌𝑐₂). U ΛCDM modelu važi 𝑤 = −1, što znači da tamna energija ima konstantnu gustinu i negativan pritisak jednak po apsolutnoj vrednosti toj gustini.
Takva komponenta vodi ka sve bržem razdvajanju galaksija tokom vremena i uzrokuje ubrzano širenje svemira. Međutim, ako se tamna energija menja, to bi značilo da njen parametar stanja zavisi od vremena ili crvenog pomaka, što zahteva proširenje standardnog modela kosmologije.
DESI i kosmička struktura
DESI instrument, smešten na teleskopu na planini Kit Pik u Arizoni, tokom prve godine rada (od maja 2021) je prikupio spektroskopske podatke za oko šest miliona galaksija, od kojih su neke udaljene i do 11 milijardi svetlosnih godina. Analiza prostorne raspodele galaksija otkriva karakteristične barionske akustične oscilacije — sferne ljuske u raspodeli materije koje predstavljaju ostatke zvučnih talasa iz ranog, gustog svemira.
Spektroskopski instrument tamne energije (crni cilindar na fotografiji) je postavljen na teleskopu Majal na vrhu Kit Pika u Arizoni.
Na osnovu ovih struktura, istraživači su rekonstruisali istoriju širenja svemira. Rezultati prve godine posmatranja nagovestili su da gustina tamne energije možda nije konstantna tokom poslednjih nekoliko milijardi godina. Kasnije analize, koje su uključile suptilnije korelacije u raspodeli galaksija, dodatno su pojačale ovaj signal.
Najnoviji, trogodišnji skup podataka obuhvata skoro 15 miliona galaksija raspoređenih na kosmičkim razdaljinama do oko 32 milijarde svetlosnih godina (u smislu kosmičkog horizonta). Ovi podaci omogućavaju rekonstrukciju kosmičkog širenja tokom poslednjih približno 10 milijardi godina sa znatno većom preciznošću.
DESI-jeva nova mapa sa 15 miliona galaksija, u 32 milijarde svetlosnih godina prostora. (Univerzum je star manje od 14 milijardi godina, ali ga je kosmička ekspanzija produžila.)DESI saradnja i KPNO
NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor
Statistički značaj i poređenje sa ΛCDM-om
Kombinovanjem DESI podataka sa posmatranjima supernova i kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, istraživači su uočili odstupanje od predviđanja ΛCDM modela na nivou od 4,2 sigma. To znači da bi, pod pretpostavkom da je ΛCDM potpuno tačan, verovatnoća dobijanja ovakvog rezultata slučajno bila oko 1 prema 30.000.
U statistici, sigma (σ) označava standardnu devijaciju i meri koliko se posmatrani rezultat razlikuje od očekivanja nekog modela. Što je broj sigma veći, to je manja verovatnoća da je uočeno odstupanje posledica slučajnih fluktuacija podataka; u fizici se oko 5σ smatra pragom za pouzdano otkriće, dok vrednosti od 3–4σ ukazuju na snažnu, ali još uvek ne konačnu, napetost između teorije i posmatranja.
Važno je naglasiti da se ovo neslaganje ne može pripisati jednom specifičnom skupu podataka: ono ostaje prisutno čak i kada se iz analize izostave podaci o supernovama ili kosmičkom mikrotalasnom pozadinskom zračenju. Sličnu napetost sa ΛCDM-om pronašao je i tim DES-a, koji je tokom pet godina mapirao oko 12% neba i izgradio jedan od najopsežnijih kataloga supernova do danas.
Tumačenja i ograničenja
Iako rezultati ukazuju na moguću evoluciju tamne energije, kosmolozi upozoravaju na složenost statističkih analiza u ovoj oblasti. Neslaganja između teorije i posmatranja mogu poticati ne samo iz nove fizike, već i iz skrivenih sistematskih grešaka ili implicitnih pretpostavki u samim modelima.
„Uvek postoji izvesna subjektivnost u načinu na koji se modeli porede sa podacima”, istakao je Čihvej Čang sa Univerziteta u Čikagu, član DES tima.
Neki teorijski fizičari ostaju skeptični. Rafael Buso sa Univerziteta Kalifornije u Berkliju smatra da je promenljiva tamna energija teško uklopiva u poznatu fiziku čestica, jer kvantna polja prirodno vode ka konstantnoj energiji vakuuma. Po njegovom mišljenju, verovatnije je da će se ispostaviti da su u pitanju suptilne sistematske greške u merenjima.
Pogled unapred
DESI će nastaviti posmatranja i u narednim godinama. Planirana treća kosmička mapa obuhvatiće oko 50 miliona galaksija i trebalo bi da bude završena do kraja 2026. ili početka 2027. godine. Ovi podaci omogućiće detaljnije proučavanje načina na koji se materija grupisala tokom kosmičke istorije, procesa koji odražava ravnotežu između gravitacije i uticaja tamne energije.
Bez obzira na konačan ishod, ovi rezultati već sada pokazuju da se standardni kosmološki model nalazi pod sve preciznijim eksperimentalnim testovima, a pitanje prirode tamne energije ostaje jedno od centralnih otvorenih problema savremene fizike.
Izvor: Quantamagazine
| SVE JE FIZIKA Miša Bracić |
 |