Döbbenetes felfedezés: létezhet egy ötödik erő is az univerzumban

Egy frissen publikált tanulmány eredményei alapjaiban kérdőjelezhetik meg a jelenleg érvényes általános kozmológiai modellt. A döbbenetes felfedezés ami egy ötödik erő létezésére utal, kétséget ébreszt a kozmológia standard modelljével szemben, ami arra késztetheti a tudósokat, hogy fontolják meg a sötét energia és a gravitáció megértésének új módját.

A sötét energia változó természetének felfedezése ellentétes a standard kozmológiai modellel Fotó: Space Wallpapers

Döbbenetes felfedezés híre tartja lázban a kozmológusokat. Az univerzum tágulására vonatkozó új megfigyelések ugyanis azt sugallják, hogy egy adott idősíkon vizsgálva megváltozik a sötét energia, vagyis az univerzum nem úgy működik, mint ahogy eddig gondoltuk.

                                  A döbbenetes felfedezés teljesen átírhatja az univerzumról alkotott eddigi ismereteinket                                                     Fotó: NASA/JPL

Döbbenetes felfedezés ami fenekestül felforgathatja a kozmológiát

Tavaly decemberben a mexikói Cancúnban megtartott konferencián mutatta be Seshadri Nadathur, az angliai Portsmouth Egyetem kozmológusa azt az univerzum tágulására vonatkozó új tanulmányt, amelynek eredményei alapjaiban kérdőjelezik meg a standard kozmológiai modellt azt sugallva, hogy alapos átdolgozásra szorulhat az univerzum krónikája. 

                                                                                  A rejtélyes sötét anyag és sötét energia eloszlása az univerzumban                                                                                                           Fotó: TrendinTech

Ez a legizgalmasabb dolog, ami az elmúlt 25 évben a kozmológiában történt” 

– mondja Nadathur, akit Scientific American tudományos hírportál idéz. A csillagászok csaknem három évtizede azt hitték, hogy az univerzum egyre gyorsabban tágul, és ennek a növekedésnek a gyorsulása az idő múlásával állandó – amit egy titokzatos erő hajt és amit sötét energiának neveznek.

A kozmológiai terminológiában a sötét energia olyan, az egész univerzumot kitöltő energiaforma, ami negatív nyomást fejt ki, vagyis antigravitációs hatású. Albert Einstein általános relativitáselméletéből az következik, hogy a sötét energia negatív nyomása nagy távolságokon semlegesíti a gravitációs vonzerőt.

A tavaly áprilisban a Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) által végzett felmérés ezzel szemben arra utal, hogy a sötét energia nem biztos, hogy olyan állandó amint azt feltételezték, ez pedig megkérdőjelezi a kozmológia standard modelljét. Nadathur és a DESI munkatársai nyilvánosan is bemutatták nyomon követési eredményeiket az Amerikai Fizikai Társaság Globális Fizikai Csúcstalálkozóján, valamint számos előzetes publikációban is, még tovább erősítve a felfedezésük megalapozottságát. A kutatók galaxiskoordináta-gyűjteményének csaknem megháromszorozása után az új DESI-elemzés pedig az eddigi legerősebb bizonyítékot szolgáltatja arra, hogy a kozmikus tágulás üteme ingadozik, rávilágítva a sötét energia szerepére, ami a tudósok szerint az univerzumnak körülbelül a 70 százalékát teszi ki.

Einstein sem értette, de megpróbálta áthidalni

Bár a jelenleg rendelkezésre álló bizonyítékok még mindig nem érik el a fizikusok számára a kétséget kizáró bizonyítottság szintjét, de a szakértők szerint az új eredmény ahhoz viszont már elegendő, hogy súlyos helyzetbe hozza a standard modellt. A fejlődő, pontosabban a változó sötét energia értelmezéséhez szinte bizonyosan szükséges lesz a fizika alapjainak módosítása ahhoz, hogy a maga valóságában tárhassuk fel az univerzum valódi történetét és jövőbeli sorsát.

Albert Einstein vezette be a kozmológiai állandót        Fotó: Wikimedia Commons

 „Olyan ez, mintha egy aranytelérbe ütnénk” – mondja Adam Riess, aki a világegyetem gyorsuló tágulásának felfedezéséért és a sötét energia ebben játszott szerepével kapcsolatos kutatásaiért két másik tudóstársával együtt 2011-ben elnyerte a fizikai Nobel-díjat. Körülbelül egy évszázada kezdték felismerni a tudósok, hogy az univerzum tágul, és ez a felsimerés vezetett el Lemaitre 1931-ben publikált ősrobbanás elméletéhez.

Georges Lemaitre belga elméleti fizikus ismerte fel, hogy ha az egymástól távolodó galaxisok sebességét visszafelé extrapoláljuk az időben eljutunk oda, amikor az univerzum összes anyaga és energiája egyetlen pontban sűrűsödött össze. Ebből a szingularitásból keletkezett az ősrobbanással a világegyetem, valamint a tér és az idő.

Az 1990-es évek végén a tudósok azt szerették volna megmérni, hogy a kozmikus infláció, vagyis az univerzum tágulása hogyan lassul le fokozatosan amint a világegyetem kiterjed, csak hogy rájöttek, az univerzum tágulási sebessége nem hogy lassulna, hanem éppen ellenkezőleg, gyorsul. Adam Riess, valamint tőle függetlenül Samuel Perlmutter és Brian P. Schmidt 1998-ban a szupernóvák fényét tanulmányozva megerősítették, hogy minél messzebb vannak tőlünk a kozmikus objektumok, annál gyorsabb a távolodási sebességük.

Samuel Perlmutter, Brian P. Schmidt, és Adam Riesset az univerzum gyorsuló tágulásával kapcsolatos kutatásaikért nyerték el a 2011-es fizikai Nobel-díjat 

Más szóval a tér tágulása kifelé haladva felgyorsul. 

Az azóta eltelt években a tudósok tanácstalanok maradtak azzal kapcsolatban, hogy mi okozza az univerzum gyorsuló tágulását. 

A kozmológia standard modelljének megalkotásához a teoretikusok a gravitációs egyenleteikbe egy úgynevezett „kozmológiai állandót” iktattak be – ennek  bevezetését először Albert Einstein javasolta még 1917-ben annak az ellentmondásnak a feloldására, hogy a gravitáció hatására miért nem roskad magába az univerzum. Bár a fizikusok nem értették és nem is tudták meghatározni a kozmológiai állandó eredetét, de az volt a feltételezésük, hogy a tér vákuumát egy hipotetikus állandó energia tölti ki, ami könyörtelenül kifelé tör és ezzel a világegyetem tágulását okozza.

A kaotikus fiatal univerzum

A kozmológia jelenlegi standard modellje „őrülten sikeres” képet fest arról, hogyan fejlődött ki az univerzum egyetlen másodpercből 14 milliárd évesre annak ellenére, hogy a modell tartalmának 95 százaléka teljesen ismeretlen – mondja Kevork Abazajian, a Kaliforniai Egyetem asztrofizikusa. A kozmosz tágulási sebességével kapcsolatos egymásnak ellentmondó mérések sorozata így feloldhatatlannak látszó helyzetbe hozta az általános kozmológiai modellt. Az ősrobbanás utáni korai univerzumot egyenletes módon töltötte ki a hihetetlenül nagy sűrűség, hőmérséklet és nyomás.

                                                                                                   Az ősrobbanás utáni fiatal univerzumban kaotikus állapotok uralkodtak                                                                                                                  Fotó: University of Copenhagen

 A fiatal univerzum tágult és eközben lehűlt ami - e folyamat szemléltetéseként -, a gőz kicsapódásához és a víz fagyásához hasonlítható, de az elemi részecskékhez kapcsolódó fázisátmeneteken ment keresztül. Ahogy a világegyetem tágult, tovább csökkent a hőmérséklete. Körülbelül 380 ezer évvel az ősrobbanás után minden eléggé lehűlt ahhoz, hogy atomok képződjenek, így a fény már szabadon haladhatott anélkül, hogy folyamatosan más részecskékbe ütközött volna (Ez a az ősrobbanás utáni korai univerzumból kiszabadult fény a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, amelyet ma is láthatunk és ami a "nagy bumm" egyik fontos bizonyítéka.) A hirtelen "befagyott" ősuniverzum mintegy 490 millió fényév átmérőjű hullámfoltjai az úgynevezett barionikus akusztikus oszcillációk lettek a magjai a későbbi galaxisoknak.

Még jobban kiszélesedtek a standard modellen mutatkozó repedések

Az Arizona déli részén fekvő Quinlan-hegységben lévő DESI a galaxisok mintázatait követi nyomon és egyetlen éjszaka képes akár 200 ezer galaktikus mintázatot rögzíteni. A kozmikus történelem minden egyes fázisánál a tudóscsapat az anyageloszlás hullámainak nyomait keresi. Végül, ha ezeket a méréseket a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás megfigyeléseivel és különféle szupernóva-felmérésekkel fedik le, a kutatók rekonstruálhatják az univerzum elmúlt 11 milliárd év alatti tágulásának háromdimenziós térképét. 

                                                         A Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) galaxisok és kvazárok millióinak spektrumát gyűjtve térképezi fel az univerzumot                                                                               Fotó: Marilyn Sargent/Berkeley Lab

Tavaly áprilisban a 900 tagot számláló DESI együttműködés közzétette az első év adatainak elemzését, 

ami arra utalt, hogy a kozmikus tágulási ütem nem felel meg tökéletesen a standard modellnek. 

Ebben a körben a DESI közel 15 millió galaxist határozott meg több mint 24 000 expozícióból. Több hónapos kutatómunka után a DESI több száz munkatársa gyűlt össze Cancúnban, hogy megvitassák az eredményeket. A megfigyelési eredmények és mérési analízisek összevetése nyomán egyértelművé vált, hogy a standard modell építményén már korábban is megmutatkozó repedések még jobban kiszélesedtek. „Valahol valamikor el kell törnie valaminek” – ekként kommentálta a konferencián ismertetett eredményeket Claire Lamman, a DESI munkatársa, a Harvard és Smithsonian Center for Astrophysics végzős hallgatója.

Az univerzum története az ősrobbanástól              Fotó: ELTE

Önmagukban az új DESI megfigyelések enyhe, de statisztikailag elhanyagolható előnyben részesítik a változó sötét energiát. De ha ezeket az adatokat más megfigyelések szupernóva-felméréseiből és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásból származó adatokkal vetjük össze, annak a valószínűsége hogy a sötét energia valóban hullámzó, már megközelíti a 99,997 százalékot – ami igen meggyőző érték. Attól függetlenül, hogy melyik adatkészletet hagyjuk ki, az eredmények ugyanabba az irányba mutatnak és ez rendkívül lényeges- mondja a Nobel-díjas asztrofizikus, Adam Riess.

Vagy egy teljesen új erő, vagy pedig egy újabb dimenzió

Az elemzés azt sugallja, hogy a sötét energia az idő múlásával átalakul – ma egy kicsit gyengébbnek tűnik mint Einstein jósolta, de annál egy kicsit már erősebb mint a korai univerzumban volt. 

Ez a fejlődés kihat az univerzum végső sorsára is: a túl erős sötét energia végül szétszakíthat minden atomot, a túl gyenge pedig mindent befelé ránthat. 

Az univerzum sorsától eltekintve, a sötét energia változékony természete komoly problémákat vet fel a mai fizika számára is. A kozmológiai állandóban leírtnál nagyobb gyorsulás a kozmológusok által a „fantomenergiának” nevezett jelenséget idézi elő, amelynek az idő múlásával egyre nagyobbra nő a sűrűsége, amit viszont a gravitáció jelenlegi értelmezése tilt. Feltételezve, hogy az eredmények helytállóak, ez az inkongruencia a „káoszkozmológia korszakát” indíthatja el – mondja Kevork Abazajian, a Kaliforniai Egyetem asztrofizikusa, aki nemrégiben közzétett preprint tanulmányában bemutatta, hogy még a korábbi DESI eredmények is inkább a hullámzó sötét energiát részesítik előnyben.

                                                        Új korszakot indíthat a kozmológiában az új felfedezés                                                        Fotó: NASA/JPL

 Ennek összeegyeztetéséhez vagy egy teljesen új alapvető erő feltárására lenne szükség, vagy annak felismerésére, hogy univerzumunk négynél több dimenzióval rendelkezik. „Nem számít, mi itt új fizikát fedezünk fel” – mondja Abazajian. „A standard fizikában semmi sem engedi meg a fejlődő sötét energiát"-fűzi hozzá a tanulmányt jegyző asztrofizikus. Bár az eredmények önmagukban még nem segítenek feloldani standard modell ellentmondásait, de a kutatók abban reménykednek, hogy az új meglátások egy szilárdabb modell megalkotása felé terelhetik a szaktudósokat.

A változó sötét energia felfedezése:

• szemben áll a standard kozmológiai modellel, ami
• vagy egy mindeddig ismeretlen erő létére,
• vagy pedig az univerzum új ötödik dimenziójára utalhat.