Kas yra tamsioji energija? Kodėl ji taip vadinama ir ką iš tikro keičia Visatoje?

Nors šis procentas atrodo didžiulis – palyginimui, mums įprasta barioninė medžiaga sudaro vos 4%, – tamsiosios energijos poveikio nejaučiame ne tik Žemėje, bet jis nėra reikšmingas ir galaktikos lygiu – vietinė gravitacija yra gerokai stipresnė. Tamsiosios energijos tankis yra ekvivalentus tik kiek daugiau, nei keturiems protonams kubiniam metrui.

Pėdsakai (mikrobangų) smėlyje

Tamsioji energija veikia Visatos plėtimąsi. Bet kaip tai vyksta? Pats Visatos mastelis keičiasi, nors individualūs objektai lieka tokio paties dydžio, nes jų savigravitacijos visiškai pakanka erdvės tarp dalelių plėtimuisi kompensuoti. Pirminė plėtimosi priežastis buvo Didysis Sprogimas, tačiau tai buvo momentinis reiškinys.

Besiplečiančią Visatos medžiagą veikia gravitacija, kuri, laikui bėgant, turėtų stabdyti plėtimąsi ir, nesant kitų plėtimosi priežasčių, sutraukti Visatą vėl į vieną tašką. Būtent todėl atradimas, kad Visatos plėtimasis ne tik ne lėtėja, bet greitėja, gerokai pakeitė mūsų įsivaizdavimą apie tolimą Visatos ateitį.

Dabar manoma, kad Visata ne susitrauks vėl į vieną tašką, o išsiplės tiek, kad galiausiai ją ištiks entropinė „mirtis“. Tokį scenarijų diktuoja antrasis termodinamikos dėsnis, kurio viena formuluočių teigia, kad uždaroje sistemoje entropija gali tik didėti. Tai reiškia, kad Visatoje entropija didės, kol pasieks maksimalią įmanomą vertę ir negalės vykti jokių mechaninių procesų. Alternatyvus scenarijus galimas, jei tamsioji energija su laiku augtų ir pasiektų pakankamą įtaką, kad kompensuotų medžiagos gravitacinę ar net subatominių dalelių trauką ir Visata susidarytų iš pavienių, tarpusavyje nesąveikaujančių dalelių.

Bet kol kas mūsų žinios apie tamsiosios energijos kitimą laike nėra pakankamai tikslios, kad galėtume įvardinti konkretų apokaliptinį scenarijų. Tamsiosios energijos įtaka mūsų Visatai tiriama trimis metodais. Pirmasis remiasi įvairių objektų, tame tarpe \(\mathtt{Ia}\) tipo supernovų, atstumo ir jų šviesos raudonojo poslinkio įvertinimu.

Remiantis Hablo dėsniu, raudonasis poslinkis, kuris rodo, kokiu greičiu objektas tolsta nuo mūsų, yra apytiksliai proporcingas objekto atstumui nuo mūsų. Tikslus raudonojo poslinkio ir atstumo sąryšis leidžia įvertinti, ar erdvė tarp objekto ir mūsų plečiasi ar traukiasi. Raudonąjį poslinkį dažniausiai išmatuoti nėra sunku, tiesiog stebimo objekto spinduliuotės spektras būna raudonesniame bangos ilgyje, nei jis buvo išspinduliuotas.

Tai reiškia, kad jei objektą arti stebėtume regimojoje srityje, kurioje intensyviai spinduliuoja žvaigždės, aptikti itin tolimų (ir senų) žvaigždžių šviesą mums reikės infraraudonųjų ar radijo bangų teleskopo, be to, gebančio aptikti blyškius šviesos šaltinius. Visgi gerokai sudėtingiau nepriklausomai įvertinti atstumą iki objekto. Tam reikia nepriklausomo atstumo mato, tokio kaip itin gerai suprastas \(\mathtt{Ia}\) tipo supernovų sprogimo mechanizmas, leidžiantis tiksliai žinoti jų maksimalų šviesį ir remiantis stebimu objekto ryškiu, įvertinti atstumą. Arba galima sekti galaktikų evoliuciją ir ją sieti su raudonuoju poslinkiu ar ieškoti kitų objektų, kurių šviesį ar kitas savybes galėtume susieti su atstumu ar laiku.

Antras tamsiosios energijos egzistavimo įrodymas yra ankstyvąją Visatos struktūrą užfiksavęs kosminis mikrobangų fonas (KMF).

Šis efektas įmanomas tik jei Visata plečiasi ir tamsioji energija dominuoja gravitacijos atžvilgiu. Itin dideli gravitaciniai šuliniai (galaktikų superspiečiai) gali paspartinti kosminės mikrobangų fotonus taip padidindami jų energiją ir sutrumpindami bangos ilgį. Taip atsitinka dėl to, kad fotonas artėdamas prie superspiečiaus, yra gravitaciškai traukiamas ir jo energija didėja.

Tačiau, jei superspiečiai yra pakankamai dideli, kad jų savigravitacija nekompensuotų tamsiosios energijos plėtimosi, superspiečiaus gravitacinis šulinys su laiku mažės ir fotonas paliekantis superspiečių turės įveikti mažesnį gravitacijos pasipriešinimą ir turės daugiau energijos, nei prieš pasiekdamas spiečių. 2008 m. iš tikro buvo aptiktos sąsajos tarp mikrobangų spinduliuotės fono ir konkrečių superspiečių ir Visatos tuštumų (kur būtų stebimas atvirkščias efektas, fotono bangos ilgis būtų charakteringai trumpesnis). Nors šis rezultatas dar yra gan kontroversiškas, nes stebimas gerokai didesnis efektas, nei būtų galima tikėtis, autorių teigimu, tai patvirtina tamsiosios energijos egzistavimą su 99,996 % tikimybe.

Trečias tamsiosios energijos egzistavimo įrodymas remiasi Visatos struktūra didžiausiais masteliais. Visos stebimos Visatos pakanka paaiškinti tik 30 % kritinio medžiagos–energijos tankio. Kritinis medžiagos–energijos tankis yra riba, ties kuria Visata nei plėstųsi, nei trauktųsi, o esant didesniam tankiui, kolapsuotų. Trūkstant šio tankio, Visata plečiasi, o jam paaiškinti reikia tamsiosios energijos.

Taip pat Visatos struktūra gali leisti įvertinti ir stebimų galaktikų amžių, kurį galima susieti su raudonuoju poslinkiu. Pvz., 2011 m. WiggleZ apžvalgos metu nustatyti 200 000 galaktikų raudonieji poslinkiai. Atstumai iki jų nustatyti remiantis tuo, kad dėl pirminių chaotiškų medžiagos osciliacijų ir Visatos spartaus plėtimosi iškart po Didžiojo Sprogimo atstumai tarp pirmųjų galaktikų ar jų spiečių turėjo būti apie 150 megaparsekų. Atitinkamai, žinant šių erdvių be galaktikų dydį, galima išmatuoti atstumą iki jų ir susieti su šias erdves supančių galaktikų raudonuoju poslinkiu.

Tamsiosios energijos teorijos

Tamsiosios energijos teorijos

Nors apie tamsiąją energiją žinome dar mažiau, nei apie tamsiąją medžiagą, vis dėlto yra kelios populiarios teorijos, aiškinančios, kas yra tamsioji energija. Populiariausia ir paprasčiausia – tamsioji energija yra tiesiog erdvės energija, ar kitaip vadinama vakuumo energija. Remiantis Einšteino reliatyvumo teorija, tokia energija neišvengiamai gravitaciškai veiktų likusią Visatą. Ši energija pasižymėtų neigiamu slėgiu ir verstų Visatą plėstis.

Neigiamas slėgis atsiranda, remiantis klasikine termodinamika: norint padidinti tūrį, reikia atlikti darbą, tai yra, turėti energijos. Jei vakuumo energija yra, jis atlieka šį darbą ir taip plečia erdvę. Tokią galimybę numatė dar Einšteinas, formuluodamas bendrąją reliatyvumo teoriją kaip laisvąjį parametrą, kad galėtų paaiškinti statišką Visatą, bet atsisakė jo, kai Hablas parodė, kad Visata plečiasi. Ši teorija iš dalies suderinama su įvairiomis kvantinių laukų teorijomis, kurios siūlo vakuumo energijos koncepciją.

Problemas šiai teorijai kelia tos pačios kvantinių laukų teorijos, kurioms reikia arba gerokai didesnių vakuumo energijų, nei stebime, arba atvirkščiai, kad jokios vakuumo energijos nebūtų. Kad veiktų alternatyvūs tamsiosios energijos aiškinimai, reikia arba įvesti papildomus fizikinius laukus, kurie reikštų, kad tamsioji energija gali būti nehomogeniška, arba sieti ją su tamsiąja medžiaga, kuri, pavyzdžiui, galėtų virsti tamsiąja energija ar tamsiosios energijos kuriamus efektus aiškinti per alternatyvias gravitacijos teorijas. Vis dėlto, kol kas apie didžiausią mūsų Visatos dalį – tamsiąją energiją – žinome itin mažai.

J. Klevas