2024 tavaszán egy közel 1000 kozmológusból álló csapat bejelentette, hogy a sötét energia – az a rejtélyes tényező, amely az univerzumot egyre gyorsabb tágulásra készteti – talán lelassult. A csapat több millió galaxis és más adatok megfigyelései alapján vonta le ezt a következtetést, amely ezen a ponton még csak előzetes és bizonytalan volt. A napokban azonban a kutatók újabb vonatkozó eredményeket tettek közzé: több mint kétszer annyi adatot elemeztek, mint korábban, és ezek még erőteljesebben mutatnak ugyanezen következtetés felé. Úgy tűnik, hogy a sötét energia veszít az erejéből.
„Sokkal biztosabbak vagyunk abban, mint tavaly, hogy ez így van” – mondta Seshadri Nadathur, az új eredmények mögött álló Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) kollaboráció tagja. A Global Physics Summit konferencián prezentált eredmények ráadásul egybevágnak a kozmológusok egy másik csoportjának, a 400 fős Dark Energy Survey (DES) csoportnak az eredményeivel. A DES szintén a kozmosz egy hatalmas területét figyelte meg, és a hónap elején egy tanulmányban, az említett konferencián pedig előadásban számoltak be a sötét energia változásaira utaló adatokról.
Ha a változó sötét energiára vonatkozó bizonyítékok az adatok további gyarapodásával is megállják a helyüket (ami persze nem garantált), az felborítaná a kozmológusok teóriáját az univerzum jövőjével kapcsolatban. Állandó sűrűséggel és nyomású sötét energiát feltételezve a kozmosz örökké tágulna, míg végül áthidalhatatlan szakadékok választanak el minden részecskét a többitől, elfojtva minden aktivitást. A változó sötét energia azonban alternatív jövőképeket tesz lehetővé.
A változó vagy gyengülő sötét energia átírná a valóságról alkotott aktuális képünket is.
A legegyszerűbb elképzelés szerint a sötét energia a tér vákuumjának energiája, amelynek kvantumfizikailag változatlan tulajdonságnak kellene lennie. A változó sötét energia valami plusz jelenlétét jelezheti, valami eddig fel nem fedezett összetevőt a kozmosz alapvető receptjében. A hiányzó rész lehet egy új típusú részecske, vagy felfedheti Einstein gravitációs elméletének apró hibáit. Az is lehet, hogy a kutatókat olyan útra vezeti, amely a fizika új alapelméletéhez vezet.
„Úgy tűnik, hogy ez egy paradigmaváltás lenne, valami, ami megváltoztatja a megértésünket és azt, ahogyan a kirakós összes darabját összerakjuk” – mondja Mustapha Ishak-Boushaki, a Texasi Egyetem kozmológusa, a DESI csapatának egyik tagja.
A kozmosz feltérképezése
Az asztrofizikusok először az 1990-es évek végén detektálták a sötét energia hatásait. Két kutatócsoport több tucat távoli szupernóvát figyelt meg, és úgy találták, hogy a legtávolabbiak a vártnál is messzebb vannak a Tejútrendszerünktől. Úgy tűnt, hogy valami gyorsítja a világegyetem tágulását a múltbéli állapotokhoz képest.
Az elméleti fizikusoknak rögtön volt is ötletük arra, hogy mi lehet ez a valami: a tér energiája. Einstein gravitációs elméletében egy matematikai összetevővel jelezte a „kozmológiai állandót” – azt az energiát, amelynek sűrűsége és nyomása mindenhol állandó, és amely taszítást eredményez. Ami ennek az energiának a forrását illeti, a fizikusok tudták, hogy a kvantumterek energiával járulnak hozzá az egyébként üres térhez. Ez az energia túl gyenge ahhoz, hogy néhány méteres körzetben számítson, de kozmikus léptékben összeadódik, és egyre gyorsabban távolítja el egymástól a galaxisokat, ahogy egyre több tér (és így egyre több vákuumenergia) halmozódik fel. Az a felfedezés, hogy a világegyetem tágulása valóban gyorsul, igazolta a fizikusok kvantumterekkel és a gravitációval kapcsolatos elméletét, ugyanakkor új kérdéseket is felvetett.
A kozmológia azonban hosszú utat tett meg az azóta eltelt évtizedekben is. A DESI és a DES keretében több millió égi objektumot térképeztek fel, megteremtve a szükséges felbontást annak megállapításához, hogy a sötét energia valóban egy kozmológiai állandó vagy finoman változik. A DESI különösen élesen lát. Az arizonai Kitt Peak csúcsán álló teleszkóp több ezer forgó robotszemmel van felszerelve. Ezek a szemek 2021 májusa óta éjszakáról éjszakára ide-oda pillantgatnak, optikai kábeleikkel galaxisról galaxisra irányítva, hogy összegyűjtsék fényüket. Működésének első évében a teleszkóp hatmillió galaxist figyelt meg, pontosan meghatározva, hogy ezek milyen sebességgel távolodnak a Földtől.
A galaxisok közül sok olyan messze van, hogy évmilliárdokba telt, mire fényük eljutott hozzánk. Összességében a fényük a kozmikus történelem elmúlt mintegy 11 milliárd évéről tanúskodik. A DESI kozmológusai arra fókuszáltak, hogy azonosítsák, ahogy a galaxisok nagyjából gömb alakú, meghatározott méretű héjakba tömörülnek, olyan hullámok maradványaiba, amelyek akkor vándoroltak keresztül az univerzumon, amikor az még sokkal fiatalabb és sűrűbb volt. Ezeket a galaxishéjakat használták arra, hogy a világegyetem tágulását állóképszerű pontossággal rekonstruálják.
Tavaly áprilisban a DESI tudósai megosztották az első év megfigyeléseinek eredményeit. Az adatok arra utaló jeleket mutattak, hogy a sötét energia az elmúlt néhány milliárd évben gyengülhetett.
A sűrűsége nem tűnt állandónak. A DESI kutatói izgatottak, de óvatosak voltak. Eredményeiket inkább utalásoknak, mint bizonyítékoknak nevezték, és fenntartásokkal kezelték. A csapat tagjai felhívták a figyelmet a múltbeli tapasztalatokra, melyek szerint a fizikában tapasztalt anomáliák további adatok gyűjtésével gyakran eltűnnek.
Aztán tavaly ősszel a kollaboráció egy részletesebb elemzést tett közzé, amely a galaxisok elhelyezkedésének finomabb mintáit vette figyelembe, a nyilvánvalóbb gömbhéjakon túl. A változó sötét energiára utaló jelek továbbra is fennmaradtak. „Mindenki fellélegzett” – mondta Dillon Brout, a Bostoni Egyetem kozmológusa, aki a DESI és a DES csapatának is tagja. A csoport legújabb, idei eredményei a Kitt Peak robotszemek hároméves észlelésén alapul. A friss adatok elemzésével a hangulat megkönnyebbülésről már nyílt örömre váltott.
Még több galaxis
Míg a DESI első évi adatai hatmillió galaxist tartalmaztak, addig a hároméves adatsor közel 15 millió galaxist foglal magába. A kutatók megint azonosították a galaxisok által formált gömbhéjakat, és ismét rekonstruálták a kozmikus tágulás elmúlt 10 milliárd évét – ezúttal még nagyobb felbontással.
Hónapokig csiszolták számítógépes modelljüket próbaadatokon és a valódi adatok egy titkosított változatán, hibákat keresve és ellenőrizve, hogy az elemzés megfelelően működik-e. 2024. december 10-én este az együttműködés vezetői a mexikói Cancúnban találkoztak, és három órán át vitatkoztak arról, hogy elégedettek-e azzal, hogy minden lehetséges szempontból ellenőrizték a módszereket.
Amikor úgy döntöttek, hogy igen, egy maroknyi kutató visszavonult a szállodai szobájába, hogy kibogozza az adatokat és elkészítse a végleges ábrákat. Köztük volt Seshadri Nadathur, a Portsmouthi Egyetem kozmológusa is, aki az elsők között ismerhette meg az eddigi legnagyobb és legrészletesebb kozmikus térkép titkait. Két nappal később mintegy 200 DESI-kollégája előtt lépett színpadra, miközben a csapat további száz tagja távolról figyelte az eseményeket, hogy ismertesse az eredményeket. „Ez volt szakmai pályafutásom legjobb élménye” – mondta.
A DESI 15 millió galaxisa izoláltan vizsgálva egy változó sötét energiás modellnek, vagy a kozmológia standard elméletének, az úgynevezett Lambda-CDM modellnek is megfelelhet, amely kozmológiai állandót feltételez. Amikor azonban a DESI kutatói figyelembe vették a közeli galaxisokban található több ezer szupernóva helyére vonatkozó, már meglévő adatokat, valamint a világegyetem korai időszakában uralkodó állapotokat, amelyeket az ősi fény maradványai (az úgynevezett kozmikus mikrohullámú háttérsugázás) mutatnak, a kombinált adatsorok merőben eltértek a Lambda-CDM által sugallttól, és a sötét energia változására utaltak.
A DESI szakértői tavaly tavasszal még azt jelentették, hogy a kombinált adatsorok 3,9 szigmával (a statisztikai szignifikancia mértéke) tértek el attól, amit a Lambda-CDM modell előre jelezne. Most ez a szám 4,2 szigmára emelkedett.
Feltételezve, hogy a kutatók nem hibáztak, ez azt jelenti, hogy csak körülbelül 1 a 30 ezerhezhez az esélye annak, hogy a Lambda-CDM a kozmosz helyes modellje.
Ez nagyjából olyan valószínűség, mintha 15-ször dobnánk fel egy érmét, és 15 fejet kapnánk egymás után.
Tovább erősíti az eredményeket, hogy a Lambda-CDM-mel kapcsolatos feszültség még akkor is fennáll (bár alacsonyabb szinten), ha nem veszik figyelembe a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzási adatokat vagy a szupernóvaadatokat. Ez azt jelzi, hogy a probléma nem valamelyik adatsorral van.
Ráadásul a DES-csoport is hasonló következtetésre jutott. Esetükben a chilei Andokban található teleszkópjuk öt éven át készített nagy felbontású felvételeket az égbolt 12%-áról, a szupernóvák eddigi legkiterjedtebb katalógusát hozva létre. Ők is azonosították ugyanazokat a gömbhéjakat, amelyekbe sok millió galaxis rendeződik (bár a DESI-nél kisebb pontossággal tették ezt). Ezeket az adatokat a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás legkorszerűbb megfigyeléseivel kombinálva a Lambda-CDM-hez képest 3,2 szigmás feszültséget találtak, amely eltűnik, amikor a sötét energia változását feltételezik.
A DES-kollaboráció azonban figyelmeztet rá, hogy a kozmológiában a statisztikai elemzés nem egyszerű. Más területeken annyiszor végez el az ember egy kísérletet újra és újra, amíg meg nem győződik arról, hogy az elmélete helyes vagy helytelen. A kozmológusok azonban csak egyetlen univerzumot figyelhetnek meg. Mivel ez a helyzet, az adatok és az elmélet közötti feszültségek az elmélettel kapcsolatos feltételezésekből is adódhatnak, és nem feltétlenül az adatok váratlan mintázataiból. „Tetszik vagy sem, van a dologban némi szubjektivitás” – mondta Chihway Chang, a Chicagói Egyetem kozmológusa, a DES-csoport tagja.
Az új eredmények értelmezésének másik kihívása, hogy úgy tűnik, hogy a sötét energia évmilliárdokon keresztül fokozatosan erősödött, mielőtt körülbelül hatmilliárd évvel ezelőtt elkezdett gyengülni.
Az erősödő viselkedés nem elképzelhetetlen, de az elméletalkotók meglehetősen természetellenesnek tartják, és „fantom” sötét energiának nevezik.
A kutatók már magyarázatokkal is előálltak arra, hogy a fantom valójában miért nincs ott. Elképzelhető a korábbi időszak adatai nem festenek pontos képet. Lehet, hogy a sötét energia hatása az univerzumra a korai években azért volt enyhe, mert akkoriban sokkal kevesebb volt a tér, így az abból a korszakból származó jel gyengébb. Kim Berghaus, a CalTech kozmológusa óvatosan optimista azzal kapcsolatban, hogy a DESI tényleg valami valósat talált, de elmondása szerint minden azon múlik, hogy a sötét energiáról kiderül-e, hogy az idők folyamán folyamatosan gyengül. Ha mégis megmarad a fantom, az inkább valamiféle a szisztematikus hiba felé mutatna, mondja.
A változó sötét energia jelentősen kitágítaná a lehetőségek körét arra vonatkozóan, hogy merre tart az univerzum. A tágulás megállhat, és a gravitáció mindent összeomlaszthat. Vagy a sötét energia ismét „fantomizálódhat”, és a táguló univerzum még nagyobb sebességre is szert tehet. Minden attól függ, hogy mi generálja ezt az energiát.
Alapelvek harca
A változó sötét energiára vonatkozó egyre gyarapodó bizonyítékok sarkos reakciókat váltottak ki az elméleti fizikusok körében. Cumrun Vafa, a Harvard fizikusa számára teljesen természetes lenne egy olyan univerzum, amelyben a térben lévő teljes energia lassan eloszlik. Ő a húrelméletre specializálódott, arra a spekulatív keretrendszerre, amely minden anyagot és erőt rezgő energiahúrokkal próbál megmagyarázni. Ha húrokból próbálunk univerzumokat építeni, szerinte nem lehet olyan világegyetemet létrehozni, ahol a terek örökké pozitív energiát tartanak fenn. Végül az energiának csökkennie kell, vagy hirtelen, vagy lassan, az idő múlásával. „Az elmélet megköveteli, hogy változzon” – mondja. „A kérdés csak az, hogy milyen gyorsan történik meg ez.” A szakértő különösen izgatott a DESI adatai miatt, mert azok összecsengenek a lassú csökkenéssel, amely a húrszerű univerzumok számos modelljében megjelenik.
Raphael Bousso, a Kaliforniai Egyetem elméleti fizikusa úgy véli, hogy a sötét energia állítólagos változása annyira valószínűtlen, hogy már-már a lehetetlennel határos. Már csak az általunk ismert részecskék viselkedéséből is az látszik, hogy a vákuumnak valamilyen állandó energiával kell rendelkeznie. A kutató sokkal valószínűbbnek tartja, hogy valamilyen apró tévedés vagy véletlen miatt a DESI csapata rosszul mért.
Eközben a Kitt Peak robotszemei tovább bámulják a világegyetemet és a múltat, hogy a szakértők megalkothassák a harmadik kozmikus térképet. Ez már 50 millió galaxist fog tartalmazni, és 2026 végére vagy 2027 elejére készülhet el. A DES-kollaboráció még idén közzé szeretné tenni saját megfigyeléseit arról, hogy a galaxisok és az anyag hogyan csoportosultak az idők során, ami a gravitáció vonzása és a sötét energia nyomása közötti játékot tükrözi. Eredményeik tovább tisztázhatják, hogy a sötét energia kifulladóban van-e.
A kutatók abban mindenképp egyetértenek, hogy most különösen izgalmas kozmológusnak lenni. Berghaus elmondása szerint a sötét energiával kapcsolatos anomália csak egy a legújabb kozmológiai rejtélyek közül. Az új generációs teleszkópokkal, amelyek a következő évtizedben lépnek működésbe, új napra virradhat a kozmológiában. Ahogy mondja:
„Egyre több feszültség bukkan fel a Lambda-CDM kapcsán. Nem hiszem, hogy ez a történet vége.”
