Tamsioji energija tebelieka didžiausia kosmine mįsle

Jau praėjo 15 pakaušio kasymo metų nuo tada, kai pastebėjome, jog kažkokia paslaptinga jėga plečia visatą. Vis dar nežinome, kas tai yra. Tai yra visur ir negalime jos matyt. Ji sudaro daugiau, nei 2/3 visatos, bet neturime supratimo iš kur ji randasi ar iš ko sudaryta. „Gamta kol kas dar nepasirengusi suteikti mums kokių nors užuominų,“ sako Seanas Carrollas, fizikos teoretikas iš Kalifornijos technologijos instituto Pasadenoje.

Bent jau turime pavadinimą šiam paslaptingiausiam padarui iš visų: tamsioji energija. Dabar prasideda tikroji jos medžioklė. Vėliau šiais metais astronomai pradės naują dangaus stebėjimą, ieškodami užuominų tarp sprogstančių žvaigždžių ir senovinių galaktikų sambūrių. Keletas kosminių misijų ir gigantiškų antžeminių teleskopų greitai prisijungs prie gaudynių. Kol kas kai kurie fizikai vysto netradicinę idėją, kad tamsiąją energiją galime sučiupti laboratorijoje.

Kol kas mūsų žinios apie medžiojamąjį beviltiškai menkos ir apsiriboja trimis faktais. Pirma, tamsioji energija stumia. Pirmiausia tai pastebėjome 1998-aisiais m., netikėtame tam tikro tipo supernovų sprogimų blyškume, parodžiusiame, kad jos toliau, nei manyta. Atrodo, erdvė pradėjo plėstis sparčiau, lyg stumiama jėgos, besipriešinančios materijos traukiančiai gravitacijai.

Antra, šito gero yra daug. Galaktikų judėjimas ir telkimasis parodo, kiek visatoje yra materijos, tuo tarpu foninė kosminių mikrobangų spinduliuotė, atsiradusi praėjus 380 000 metų nuo Didžiojo Sprogimo, leidžia nustatyti bendrą masės ir energijos tankį. Šis skaičius yra daug didesnis. Remiantis naujausiais duomenimis, įskaitant ir gautus Europos kosmoso agentūros Plancko palydovu, apie 68 procentai visatos yra nematerialios, energetinės formos. Tai reiškia daugmaž 1J energijos kubiniame erdvės kilometre.

Trečia, tamsioji energija suteikia puikaus peno kūrybingiems fizikų protams. Jie regi ją šimtuose skirtingų ir fantastiškų formų.

Iš jų labiausiai pažabota yra kosmologinė konstanta, tačiau netgi ji laukinė. Tai pačios erdvės energijos tankis, pagal Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją, kuriantis stumiančią gravitaciją. Erdvei plečiantis, tamsiosios energijos vis gausėja, ir jos stūma stiprėja, lyginant su nykstančia vis labiau išsisklaidančios materijos trauka. Dalelių fizika, regis, netgi pateikia jos kilmę iš burbuliuojančiame, neapibrėžtame vakuume atsirandančių ir išnykstančių virtualių dalelių. Tik bėda, kad šios dalelės turi smarkiai per daug energijos – paprasčiausiais skaičiavimais, apie 10¹²⁰ džaulių kubiniame kilometre.

Šis katastrofiškas neatitikimas palieka vietos alternatyvioms teorijoms. Tamsioji energija galėtų būti kvintesencija, visą erdvę persmelkiantis hipotetinis energijos laukas, kintantis bėgant laikui ir gal net įvairiose vietose sušokantis į gurvuolius. Arba tai gali būti kitokia gravitacijos forma, dideliu atstumu ne traukianti, o stumianti, ar dėl Žemės padėties kosmose kylanti iliuzija.

Gal tamsioji energija galėtų įgyti trilijonus kartų didesnių už regimąją visatą radijo bangų formą – ar ką nors dar egzotiškesnio.

„Daug protingų žmonių bandė sukurti ką nors geriau už kosmologinę konstantą ar suprasti, kodėl kosminės konstantos reikšmė yra tokia, kokia yra,“ sako Carrollas. „Grubiai tariant, jiems nepavyko.“

Kylanti tamsa

Gaudynes galima būtų supaprastinti išsiaiškinus ar tamsioji energija kito bėgant laikui. Jei ne, atkristų kosmologinė konstanta: įgimtos erdvės savybės turėtų nekisti. Tuo tarpu daugelyje kvintesencijos modelių, erdvei plečiantis, energija pamažu sklaidosi – nors kai kurie modeliai numato jos stiprėjimą, įkvepiamą visatos plėtimosi. Daugelyje modifikuotos gravitacijos teorijų tamsiosios energijos tankis taip pat kintamas. Ji netgi gali kurį laiką augti ir paskui mažėti ir atvirkščiai.

Visatos likimas priklauso nuo šio balanso. Jei tamsioji energija lieka tokia pati, didžioji kosmoso dalis tols, palikdama mus amžiams mažoje visatos saloje, atkirstus nuo likusio kosmoso. Jeigu ji stiprėja, tai gali reikšti, kad galiausiai visa materija sudriks Didžiajame Plyšime, ar netgi šen bei ten padarys erdvės audinį nestabilų. Geriausias mūsų spėjimas, besiremiantis daugiausiai supernovų stebėjimais, kad tamsiosios energijos tankis gana stabilus. Keliama mintis, kad ji vis tik pamažu stiprėja, bet neapibrėžtumai dar per dideli, kad turėtume dėl to nerimauti.

Tamsiosios energijos tyrimas (Dark Energy Survey), tarptautinis projektas, turėtų pradėti rinkti duomenis šį rugsėjį, stengdamasis palikti mažiau nežinomųjų. Jis naudoja 4 metrų pločio Víctoro M. Blanco'o teleskopą Cerro Tololo Inter-American observatorijoje Čilėje, apginkluotą specialiai sukurta infraraudonųjų spindulių kamera, tamsiosios energijos ženklų paieškai plačiame dangaus plote. „Tai nėra didžiausias pasaulio teleskopas, bet jo labai platus matymo laukas,“ paaiškina Joshua Friemanas iš Čikagos universiteto, šio projekto vadovas.

Iš pradžių teleskopas sugaudys daug daugiau supernovų. Kiekvieno žvaigždės sprogimo regimasis ryškis pasakys, kaip seniai jis nutiko. Kol šviesa pasiekė mus, jos bangų ilgis ištęsė, paslinko į raudonąją spektro pusę, erdvės plėtra. Sugretinę ryškį ir raudonąjį poslinkį, matysime plėtros kitimą bėgant laikui.

Tyrimas dar nupieš ir sudėtingą dangaus žemėlapį, kuriame bus pažymėtos kelių šimtų milijonų galaktikų pozicijos ir atstumas iki jų. Kosmoso kūdikystėje jame sklidusios garso bangos suteikė didžiuliams galaktikų superspiečiams charakteringą mastelį. Matuodami regimąjį superspiečių dydį, galime išvysti naują visatos plėtimosi istorijos perspektyvą.

Akys į dangų

Žemėlapis atskleis ir mažesnio masto tamsiąsias įtakas. Tamsioji energija trukdo galaktikoms susiburti į spiečius. Tyrimo komanda spiečius skaičiuos tiesiogiai ir seks jų augimą, naudodami gravitacinį lęšiavimą, pasireiškiantį, kai spiečiai išlenkia per juos sklindančią dar tolesnių objektų šviesą.

Šie įvairūs matavimai turėtų suteikti užuominą, kaip tamsioji energija kito bėgant laikui – jei iš viso kito. Tyrimas turėtų sumažinti egzistuojančių rezultatų neapibrėžtumą keturis kartus, sako Friemanas. Su pirmosiomis analizėmis, turinčiomis pasirodyti 2016 m., bus galima pradėti atskirti kai kuriuos skirtingus teoretinius modelius.

Visa tamsiosios energijos medžiotojų amunicija ims veikti vos po keliais metais vėliau. Didysis apžvalgos teleskopas (Large Synoptic Survey Telescope), JAV vadovaujamas projektas, turėtų atmerkti savo didelę akį 2021 m. Kiti megažiūronai, pavyzdžiui Trisdešimties metrų teleskopas (Thirty Meter Telescope) Havajuose ir Europos ypatingai didelis teleskopas (European Extremely Large Telescope) bei Milžiniškas Magelano teleskopas (Giant Magellan Telescope), abu Čilėje, taip pat turėtų prisijungti prie paieškų panašiu laiku. Taip pat turėtų prisijungti gigantiškas radijo imtuvas, įsikūręs Australijoje ir Pietų Afrikoje, Kvadratinio kilometro masyvo (Square Kilometre Array), seksiantis kosmines struktūras per vandenilio debesų radijo švytėjimą. 2020-aisiais, Europos kosmoso agentūra (ESA) ir NASA planuoja paleisti tamsiąją energiją medžiosiančią kosminę misiją Euclid, kuri atseks gravitacinį lęšiavimą ir galaktikų būriavimąsi netgi dar ankstesniais kosminiais laikais. Truutį vėliau turėtų pakilti JAV Plataus lauko infraraudonųjų stebėjimų teleskopas (Wide-Field Infrared Survey Telescope).

Šios gaudynės kosmose bus jaudinančios, bet grobis vis vien gali išslysti. Tarkime, atrandame, kad tamsiosios energgijos tankis laikui bėgant, nekinta. Tai lyg ir remtų kosmologinę konstantą, bet neatmestų kai kurių kvintesencinių laukų, kurių energijos tankis irgi beveik pastovus. Net jei atrastume, kad tamsiosios energijos tankis auga ar mažėja, galime nesugebėti atskirti ar taivyksta dėl kvintesencijos ar kokios nors kintančios gravitacijos rūšies.

Tai skatina kai kuriuos fizikus siūlyti žvėriui spąstus spęsti vietoje, Žemėje. „Jeigu tamsiajai energijai priskirsi naują lauką ar dalelę, tai bus taipogi ir naujos jėgos pernešėjas,“ sako Clare'a Burrage iš Nottinghamo universiteto, JK. Kažkas panašaus į kvintesenciją sukurtų penktąją fundamentalią sąveiką, be jau žinomų gravitacijos, elektromagnetizmo ir silpnosios, bei stipriosios branduolinių. Tas pats pasakytina apie daugelį modifikuotos gravitacijos formų. „Bet penktosios jėgos nematome Saulės sistemoje,“ sako Burrage.

Teoretikai dažniausiai išsisuka iš šios padėties, pridėdami slopinantį mechanizmą, silpninantį penktosios jėgos veikimą santykinai tankioje aplinkoje, kaip Saulės kaimynystė. Projektas GammeV experiment, vykstantis Fermilab Ilinojuje, jau ieško ypatingo slopinamo tamsiosios energijos lauko, vadinamo chameleonu.

Kol kas GammeV nieko neaptiko, bet dabar Burrage ketina ieškoti daug platesniame tamsiųjų energijų ruože, ir daug didesniu jautrumu. Kartu su kolega iš Nottinghamo, Edmundu Copelandu ir Edu Hindsu iš Londono imperatoriškojo koledžo, ji nori atskleisti slapukę su šaltų atomų debesiu, vadinamuoju Eišteino–Bose kondensatu, darniai osciliuojančiame kolektyvinėje kvantinėje bangoje. Tamsioji energija turėtų vos vos sumažinti šios osciliacijos dažnį. Komanda planuoja padalinti kondensatą pusiau ir šalia vienos pusės padėti tankų objektą. Jei objektas uždengia tamsiąją energiją, dviejų pusių bangavimas nebebus sinchroniškas, ir vėl sujungtos pusės interferuos.

Elektriniai efektai

Vašingtono universitete Seattle'e, Eöt-Wash torsioninės švytuoklės eksperimentas bando aptikti kitas kosminės stūmos formas. Pagal vieną teoriją, papildomi erdvės matmenys, mažesni, nei milimetro skersmens, gali priglausti tamsiąją energiją. Tokiais masteliais tai kartu sustiprintų ir gravitacijos stiprį. slopinamos kvintesencijos tipas, vadinamasis simetronas, kurtų panašiai mažo mastelio papildomą jėgą – mažutį poveikį, kurį turėtų atskleisti subtilūs Eöt-Washo švytuoklės pasisukimai.

Tuo tarpu, Michaelas Romalisas iš Princetono universiteto ir Robertas Caldwellas iš Dartmoutho koledžo Hanoveryje, Nju Hampšyre, anksčiau šiais metais iškėlė idėją, kad, jei įprasti fotonai ar elektronai, nors ir labai silpnai, galėtų justi kvintesenciją, Žemės magnetinis laukas turėtų kurti mažytį elektrostatinį krūvį. Tokį efektą gana paprasta aptikti, nors bet koks tam skirtas aparatas turėtų būti itin tikslus (arxiv.org/abs/1302.1579)

Carrollas pažymi, kad kosmose galime išvysti kitą elektromagnetinį poveikį kosmose. Jei kosmosu skriedami fotonai sąveikauja su tamsiąja energija, ši turėtų pakreipti jų poliarizaciją. Kai Plancko komanda per ateinančius keletą metų paskelbs foninės kosminių mikrobangų spinduliuotės fotonų poliarizacijos matavimus, „tikėtina, jie praneš aptikę kvintesenciją“, sako jis. Tada gali tekti nelengvai laukti dešimtmetį ar porą, kol teleskopai žvelgs, kurion pusėn tamsioji energija, tikėtina, pasuks, prieš lengviau atsikvėpdami, kad erdvė apie mus nesiruošia kolapsuoti į naują ir nesveiką būseną.

Mažai kas tikisi, kad ši medžioklė greitai baigsis. „Tamsioji energija yra viena iš didžiausių paslapčių ir nesitikiu sulaukti laiko, kai ji bus įminta,“ abejoja Stephenas Hsu iš Oregono universiteto Eugene'e. Po 15 spėlionių metų, neturime jokių užuominų apie tamsiosios energijos tapatybę. Bet žiūrint iš gerosios pusės, turime užuominų, kur gali glūdėti užuominos.

Stephen Battersby
New Scientist, № 2916