Tamsiosios energijos vaiduoklių medžiotojai

Durys atsilapoja, bet nieko nėra. Vaza levituoja nuo židinio atbrailos ir skraido po kambarį. Baldai ima savaime judėti.

Visata dabar panaši į tokius siaubo filmus. Galaktikos sukasi aplink nesuprantamai. Žvaigždžių grupes po kosmosą tampo jėgos iš už regimosios visatos ribų. Nepaaiškinamai elastinga erdvė plečiasi vis greičiau, varoma neaiškios energijos.

Šiaip ne itin prietaringi kosmologai sugalvoja tam poltergeistui pavadinimus – tamsioji materija, tamsusis srautas, tamsioji energija – ir deda visas pastangas, kad įrodytų, jog jie tikri. Bet gal jie gainiojasi vaiduoklius? Taip kai kas iš jų sako. Jie teigia, kad standartinis visatos modelis remiasi perdėtai supaprastinta Einšteino bendrąja reliatyvumo teorija – teorija, kuria remiasi visa kosmologija – ir joje yra nepagrįstų prielaidų apie medžiagos pasiskirstymą visatoje. Pašalinkime šias neteisingas koncepcijas ir galėsime išvaduoti kosmosą nuo jų nekviestų apsireiškimų. Ar taip gali būti?

Ginčai apie kosmoso prigimtį prasideda ir baigiasi Einšteinu. Jo bendrosios reliatyvumo lygtys aprašo, kaip medžiaga apie save išlenkia erdvę ir laiką, sukeldama pagreitėjimą, kurį interpretuojame kaip traukos jėgą, ir, stambiausiu masteliu, lemia visatos evoliuciją. Per pastarąjį šimtmetį kosmologai į Einšteino lygtis statydavo vis tikslesnius stebėjimų duomenis, ir pamažu tobulino standartinį modelį. Taigi, dabar turime visatą, prasidėjusią prieš ~13,8 milijardus metų iš neįsivaizduojamai karšto ir tankaus taško, kuris nuo tada tolygiai visomis kryptimis plėtėsi ir vėso.

Tačiau tam, kad sudėtingos Einšteino lygtys būtų įkandamos ir būtų gautos tokios išvados, į modelį reikėjo įdiegti keletą supaprastinančių prielaidų. Vienos iš jų kilmė ypač įdomi. Kai N. Kopernikas išdėstė Koperniko principą XVI a., tai prilygo pasakymui, kad Žemė nėra visatos centras. Moderniojoje kosmologijoje tai pavirto kosmologiniu principu: Žemės vieta nėra kuo nors ypatinga. Visatą matome iš savo požiūrio taško ir darome išvadas, taip pat tinkamas visur kitur. Iš čia kyla dvi susijusios prielaidos. Pirma, kad visata yra homogeniška, ir visur atrodo daugmaž taip pat. Antra, ji izotropiška ir atrodo daugmaž taip pat, kuria kryptimi bežvelgtume iš bet kurio visatos taško.

Kai kam tai atrodo kaip nepagrįstas įsitikinimas. Dabartinėje visatoje galaktikos egzistuoja materijos sankaupose ir gijose, išsidėsčiusiose didžiulių burbulo pavidalo tuštumų pakraščiuose. Šių tuštumų materijos tankis maždaug dešimteriopai mažesnis už sankaupų tankį, bet sudaro daugiau, nei 60 % visatos tūrio. „Visi žino, kad visata nehomogeniška,“ sako Thomasas Buchertas Iš Liono universiteto Prancūzijoje. „Tokios sudėtingos struktūros vadinimas homogeniška yra drąsus idealizavimas.“

Neatitikimas paprastai ištaisomas statistinio homogeniškumo koncepcija: kad ieškoma visata egzistuoja, jei žvelgsime iš pakankamai toli. Maždaug 400 milijonų šviesmečių masteliu, didesniu, nei visos mūsų regimos struktūros, tuštumos ir galaktikų spiečiai vidutiniškai išsidėstę tolygiai.

Bėda tik, kad negalime į tokio mastelio visatą pažvelgti iš paukščio skrydžio. Davidas Wiltshire'as, kosmologas iš Canterbury'io universiteto Naujojoje Zelandijoje mano, kad tiesiai prieš akis vykstantys įvykiai gali iškreipti mūsų požiūrį.

Jis tyrinėjo kosminį mikrobangų foną (KMF), šviesą, sukurtą, kai fotonai atsiskyrė nuo pirmųjų atomų, praėjus maždaug 380 000 metų nuo Didžiojo sprogimo. Nuo tada šis spinduliavimas keliauja su kosmosu, drauge plėsdamasis ir vėsdamas. Tolygioje visatoje, kur bepažvelgtume į KMF, turėtume išvysti tokį patį išsiplėtimą ir atvėsimą.

Iš tiesų, viena kryptimi spinduliavimas atrodo karštesnis, nei kita. Ši „dipolinė anizotropija“ gerai žinoma ir paprastai aiškinama Žemės judėjimu erdve. Dėl Doplerio efekto santykinai link mūsų judantys objektai atrodo karštesni, o judantys nuo mūsų – vėsesni. Žemė sukasi apie Saulę, ši sukasi apie Paukščių Tako centrą, Paukščių Takas juda per galaktikų Vietinę Grupę, o ši lekia link didžiulės tolimesnių galaktikų sankaupos. Atsižvelgus į visų šių judėjimų Doplerio poslinkį, KMF karšti ir šalti lopinėliai išnyksta. KMF žemėlapiai, tokie, kokius pernai pateikė Europos kosmoso agentūros (ESA) Planck palydovas, kol kas patys detaliausi, rodo vaizdą, kuris tolygus plačiuose dangaus plotuose ir varijuoja tik daug mažesniu masteliu.

Wiltshire'ui kliūna paskutinis iš naudojamų judesių, dėl kurių dipolinė anizotropija išnyksta: visos Vietinės grupės judėjimas 635 km/s greičiu link „didžiojo trauktuvo“ kažkur Hidros–Kentauro galaktikų superspiečiuje. Nedarydami jokių išankstinių prielaidų apie visatos plėtimąsi ar Vietinės grupės judėjimą, jis su kolegomis išanalizavo daugiau, nei 4500 galaktikų, esančių iki 4 kartų toliau nuo didžiojo trauktuvo, atstumą ir tarpusavio judėjimą (Physical Review D, vol 88, p 083529).

Jie teigia, kad galaktikų judėjimas atrodo logiškiau, jei Vietinė Grupė nejuda iš viso. Didesnis materijos tankis link Hidros-Kentauro lėtina visatos plėtimąsi išilgai žvilgsnio linijos, todėl mums kyla tokio judėjimo įspūdis. Tuo tarpu santykinė tuštuma kitomis kryptimis kuria priešingą efektą, kurdama greitesnio plėtimosi sritį už mūsų. Nehomogeniškumo efektai išilgai šios ašies palyginus yra vietiniai, pasireiškiantys iki maždaug 300 milijonų šviesmečių, ir visatos plėtimosi spartą keičia tik 0,5%. Tačiau to pakanka praktiškai visam dipolinės anizotropijos efektui – ir visos visatos vaizdui nuspalvoti.

Wiltshire'as pabrėžia, kad visa tai tėra Einšteino reliatyvumas. „Diferencialinio plėtimosi ir reikėtų tikėtis Einšteino teorijoje,“ sako jis. „Tai nėra kontroversiška, tai nėra siurprizas, tai – norma, tiesiog tai nėra standartinis modelis.“

Jis mano, kad ši interpretacija taip pat turėtų paneigti kosminį spektrą, kurį 2008 m. pateikė Alexanderis Kashlinsky'is iš NASA Goddardo kosminių skrydžių centre Greenbelte, Marylande ir kai kurie kolegos. Jų 700 galaktikų spiečių analizė rodė, kad jas erdve traukia daugmaž ta pačia kryptimi, kaip ir tariamai juda Vietinė Grupė.

Pats Kashlinsky'is „tamsųjį srautą“ aiškino gravitacine įtaka objektų, atsiradusių pačiais pirmaisiais Didžiojo sprogimo momentais ir dėl po to sekusio plėtimosi periodo (infliacijos) atsidūrusių už regimos visatos ribų. Wiltshire'o požiūriu, sutapimas galėjo kilti dėl to, kad pridėjome Vietinės Grupės judėjimą, kurio nebuvo.

Kirminų skardinė

Kashlinsky'is tuo abejoja. „Manau, kad Davido Wiltshire'o tyrimas labai svarbus, bet mano nuomone, jo analizuojami duomenys pernelyg triukšmingi, kad galėtų įrodyti hipotezę,“ sako jis.

Fizikas Paulas Halpernas iš Mokslų universiteto Filadelfijoje, Pensilvanijos valstijoje, mano, kad tokius tyrimus atlikti verta, bet įspėja dėl toli siekiančių pasekmių. „Dar neseniai niekas neabejojo, kad visata homogeniška, tad visi tiesiog naudojo paprasčiausius modelius,“ sako jis. „Tarus, kad kitose erdvės vietose visata gali būti visai kitokia, atidaroma kirminų skardinė. Būtų neįtikėtinai sunkiau tirti kosmologiją.“

Buchertas mano, kad būtent taip ir yra. Jo Skype profilio žinutė, „Tamsioji energija buvo vakar“, nepalieka abejonių, į kurią tamsiojo spektro spektro dalį jis taikosi. Jis mano, kad gali tamsiąją energiją nužudyti tuo pačiu ginklu, kurį dirbina Wiltshire'as: nehomogeniškumu.

Tamsioji energija buvo išrasta, siekiant paaiškinti keistą faktą, kad maždaug prieš 7 milijardus metų, visatos plėtimasis pradėjo spartėti. Ši išvada glaudžiai siejasi su vienodumo prielaida, ir tuo, kaip kosmologai naudoja ją, Einšteino lygtyse ieškodami visatos istorijos ir galutinės lemties prognozių.

Materija iškreipia erdvę ir laiką. Jei materijos per daug, erdvėlaikis išsikreipia taip stipriai, kad tampa keturmate sfera ir galiausiai dingsta į nieką kaip atvirkštinis didysis sprogimas. Jei materijos per mažai, erdvėlaikis išlinksta į išorę, formuodamas amžinai besiplečiančią atvirą geometriją.

Iki XX a. dešimtojo dešimtmečio buvo manoma, kad mūsų visatoje pakankamai materijos, kad visata išsilaikytų tarp šių dviejų ekstremumų. Visata daugiau ar mažiau „plokščia“: jos vidutinis materijos tankis nesukelia išlinkio nei į vidų, nei į išorę. Pagal Einšteino lygtis, tokiu atveju visatos plėtimasis truks amžinai, nors palaipsniui lėtės dėl gravitacijos poveikio.

Todėl buvo labai netikėta, kai dešimtojo dešimtmečio pabaigoje dvi astronomų grupės nepriklausomai bandydamos išmatuoti plėtimosi lėtėjimą, atrado visiškai priešingą dalyką. Reikalus sutvarkė tamsioji energija: papildomas Einšteino lygčių dėmuo, atstovaujantis papildomą antigravitacijos jėgą, spartinančią plėtimąsi. Iš kur ji atsirado ir kodėl savo pasirodymo laukė 7 milijardus metų, nežinome.

Gali būti, ji atsirado iš niekur – kadangi jos iš tiesų nėra. Buchertas sukūrė nehomogeniškos visatos modelius, prasidedančius nuo tų pačių Einšteino lygčių, su kuriomis visi sutinka, bet darė prielaidą, kad visata iš esmė yra padalinta į tuštumą ir materijos sankaupas. Užuot taikęs vidutinį erdvėlaikio išlinkimą visai visatai, kaip daroma standartiniame modelyje, Buchertas skaičiuoja išlinkį, vidurkindamas šį nehomogenišką materijos pasiskirstymą.

„Štai čia dramblys šoka į vandenį,“ sako jis. Visata nebesiplečia vienodai visomis kryptimis. Taip, kaip ir Wiltshire'o vaizde, dėl šalia esančios tuštumos, vienoje dangaus pusėje erdvė plečiasi greičiau, tuo tarpu dėl galaktikų spiečių gravitacijos tas regionas plečiasi lėčiau.

Laikas tiksi

Tačiau svarbiausia, kad visatai senstant ir gravitacijai lipdant materiją į vis didesnes galaktikas ir galaktikų spiečius, tuštumos tarp sankaupų augo ir tuose regionuose vista pradėjo plėstis dar greičiau. Iš čia kyla greitėjimas, panašus į priskiriamą tamsiajai energijai – tik be jos (Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, vol 10, p 043). „Nėra klausimo ar toks efektas vyksta. Dėl to neabejojama,“ sako Buchertas. „Tai labai natūrali fizikos teorija, nes remiasi Einšteinu, bet ji neatitinka standartinio modelio.“

Gal ir natūrali, tačiau nehomogeniška, „gumuliuota“ visata vystytųsi visai kitaip, nei tokia, kokią manome žiną. Visų pirma, Einšteinas parodė, kad erdvė ir laikas yra sujungtos esybės, tad, jei skirtingose vietose erdvė plečiasi skirtingu greičiu, teks priimti, kad ir laikrodžiai ten tiksi kitokia sparta. Tai reiškia, kad netgi tokia fundamentali savybė, kaip visatos amžius nėra vienoda visame kosmose. Matuodami jį tankioje sankaupoje gausime kitokį atsakymą, nei matuodami tuštumoje.

Wiltshire pritarė šiai galimybei ankstesniame darbe, kuriame nagrinėta teorija, kurią jis vadina „laikjuoste“. Pagal tai visatos amžius gali būti 18,6 milijardai metų vietose, kur dėl mažo materijos tankio laikas eina itin greitai. Mūsų pačių kuklesnis visatos amžiaus vertinimas yra natūrali pasekmė to, kad esame neįprastai tankiame regione – galaktikoje. „Tai, kad kiekviena galaktika atrodo turinti laikrodį, rodantį laiką, sutampantį su mūsiškiu, nereiškia, kad visata turi vieną amžių,“ sako Wiltshire'as. „Tiesiog nebuvome susėdę apgalvoti, kas galaktikose daro jas ypatingomis ir skirtingomis.“

Kalbama ne vien apie visatos amžių: priklausomai nuo to, ar kokiu nors masteliu egzistuoja „vidutinė“ visata, gali tekti pripažinti, kad nežinome ir tikslios jos baigties. Nuo to, kiek materijos gali būti kitose dalyse, tampa galimi visi įmanomi scenarijai – besitraukianti visata, be galo besiplečianti, susitraukianti į Didįjį susitraukimą.

Kashlinsky'iui tai būtų karti piliulė. Jis teigia, kad neprilygstamas standartinio modelio prognozių sutapimas su, pavyzdžiui, galaktikų formavimosi, stebėjimais, reiškia, kad ji turi būti artima tiesai. Ir dešimteriopo materijos tankio skirtumo tarp galaktikų spiečių ir tuštumų nepakanka standartinio modelio atsisakymo pateisinimui. Jo žodžiais tariant, „nehomogeniškumas toks mažas, kad bendrai paėmus, mūsų naudojamas homogeniškos visatos apibūdinimas yra labai gera prielaida“. Jis linkęs palikti tamsiąją energiją ir tamsųjį srautą – net jeigu jų paaiškinimo tenka ieškoti už Einšteino teorijos ribų.

Tuo tarpu Buchertas tokiame pasipriešinime mato mąstymo nelankstumą. „Pernelyg supaprastintas homogeniškumo modelis gyvuoja jau daugiau, nei 100 metų,“ gūžteli jis. „Visose kitose fizikos srityse, jei susiduriama su tokia problema, kaip tamsioji energija, tobulinamas modelis. Kosmologijoje to nebuvo padaryta. Sakyčiau, standartiniu modeliu tikima pernelyg griežtai.“

Kosmologas Johnas Peacockas iš Edinburgo universiteto JK, linkęs palaikyti tradicionalistų pusę, tačiau pripažįsta, kad klausimas atviras. „Norėčiau, kad šie debatai būtų išspręsti,“ dėsto jis. „Matematiniame moksle reikėtų nusitaikyti į neaiškias vietas nuspręsti, kas teisus. Apmaudu ir neramu, kad iki šiol nesugebėjome to padaryti.“ Kol to nepadarysime ar kol nenustatysime tamsiųjų kosmologijos prigimties spektrų, jie laigys laisvi.

Stuart Clark
New Scientist № 2975