Stała wcale nie jest stałą? Teleskop DESI sugeruje, że ciemna energia zmienia się w czasie

| Astronomia/fizyka
Daniel Parks, Flickr, CC BY-NC 2.0 Deed, creativecommons.org/licenses/by-nc/2.0/

Jeśli to prawda, to mamy tutaj pierwszą od 25 lat prawdziwą wskazówkę odnośnie natury ciemnej energii, mówi astrofizyk Adam Riess, laureat Nagrody Nobla za odkrycie, że tempo rozszerzania się wszechświata jest coraz szybsze. Uczony odniósł się do opublikowanych danych z pierwszego roku obserwacji Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Możliwe, że mamy tutaj informacje wskazujące, iż ciemna energia podlega ewolucji, dodaje członek DESI, Dillon Brout. Naukowcy podkreślają, że jest zbyt wcześnie, by mówić o odkryciu. Jednak trzy różne zestawy również sugerują danych, że ciemna energia może nie być stałą kosmologiczną, a to z kolei ma olbrzymie znaczenie dla jednego z najpowszechniej uznawanych modeli kosmologicznych.

Teleskop DESI został po raz pierwszy uruchomiony w 2019 roku. Proces kalibracji i weryfikacji działania instrumentu zakłóciła pandemia. Teleskop rozpoczął badania w połowie maja 2021 roku i właśnie opublikowano dane zebrane do czerwca 2022. Tych 12 miesięcy wystarczyło do stworzenia największej trójwymiarowej mapy wszechświata i przeprowadzenia najdoskonalszych pomiarów ciemnej energii. DESI stworzył bardziej szczegółową mapę niż wszystkie dotychczasowe instrumenty razem wzięte i jako pierwszy pozwolił na określenie tempa rozszerzania się wszechświata w okresie od 8 do 11 miliardów lat temu z precyzją lepszą niż 1%. Naukowcy pracujący przy DESI opublikowali i przygotowali do publikacji imponującą liczbę artykułów naukowych.

Jesteśmy niesamowicie dumni z uzyskanych przez nas światowej klasy wyników oraz z faktu, że jesteśmy pierwszymi, którzy pokazują dane z badań nowej generacji nad ciemną energią. Jak dotychczas widzimy tutaj potwierdzenie najlepszych modeli kosmologicznych, dostrzegamy jednak potencjalnie interesujące różnice, które mogą wskazywać, że ciemna energia ewoluuje w czasie. W miarę napływu kolejnych danych różnice te mogą się potwierdzić lub zniknąć, dlatego niecierpliwie czekamy na rozpoczęcie analiz z trzyletniego okresu obserwacji, cieszy się dyrektor DESI Michael Levi z Lawrence Berkeley National Laboratory.

Podstawowym modelem kosmologicznym jest Lambda CDM. Uwzględnia on ciemną energię (stała kosmologiczna lambda) oraz zimną ciemną materię (cold dark matter, CDM). Materia i ciemna energia wpływają na rozszerzanie się wszechświata, jednak w różny sposób. Otóż materia i ciemna materia spowalniają rozszerzanie, a ciemna energia przyspiesza ten proces. Względna ilość obu czynników wpływa na ewolucję wszechświata.

Model ten dobrze wyjaśnia dotychczas uzyskiwane wyniki oraz obecny i przeszły wygląd wszechświata. Jednak gdy przyjrzymy się danym z DESI i porównamy je z danymi z wcześniejszych badań, widzimy pewne subtelne różnice. W tej chwili nie wiemy, czy są to jedynie fluktuacje statystyczne, które znikną wraz z pojawieniem się kolejnych danych, czy też kolejne dane potwierdzą istnienie tych różnic. Dane te powinny też doprecyzować inne informacje dostarczone przez DESI, które dotyczą stałej Hubble'a czy masy neutrina.

DESI to wspaniały eksperyment dostarczający niesamowitych danych, zachwyca się Riess. W porównaniu z jednym z najważniejszych przeglądów nieba w historii, Sload Digital Sky Survey, DESI błyskawicznie zbiera dane. Niedawno instrument w ciągu tylko jednej nocy określił lokalizację niemal 200 000 galaktyk. Dotychczas żadne badania spektroskopowe nie dostarczyły nam tylu danych. Co miesiąc zbieramy informacje o ponad milionie galaktyk, mówi Nathalie Palanque-Delabrouille z Berkeley Lab.

Dzięki temu już po roku naukowcy byli w stanie zmierzyć tempo rozszerzania się wszechświata w siedmiu różnych przedziałach czasowych. Zrekonstruowali historię rozszerzania się wszechświata w ciągu ostatnich 11 miliardów lat z precyzją wynoszącą 0,5%, a dla najstarszej z badanych epok, 8–11 miliardów lat temu, precyzja wyniosła rekordowe 0,82%. Takie pomiary są niezwykle trudne, a mimo to DESI po roku pracy dostarczył bardziej precyzyjnych wyników dotyczących tej wczesnej epoki niż projekt BOSS/eBOSS (Sloan Digital Sky Survey) po ponad 10 latach badań.

Celem DESI jest sprawdzenie, jak wszechświat rozszerzał się w ciągu siedmiu epok swojej historii. Następnie naukowcy sprawdzają, jak dokonane pomiary pasują do modelu Lambda CDM. Z pierwszego roku badań wynika, że dane dostarczone przez DESI bardzo dobrze pasują do tego modelu, ale po uwzględnieniu innych danych, jak np. informacji o mikrofalowym promieniowaniu tła czy mapy supernowych, pojawiają się pewne niezgodności.

Pojawia się rozbieżność z przewidywaniami Lambda CDM o 2.5, 3.5 lub 3.9 sigma, w zależności od tego, której z trzech map supernowych użyjemy. Czy jest to dużo? By to sobie uświadomić, posłużmy się przykładem. Gdy rzucamy monetą 100 razy możemy się spodziewać, że 50 razy wypadnie orzeł, a 50 razy reszka. Jeśli reszka wypadnie 60 razy mówimy o odchyleniu 2 sigma od średniej. Prawdopodobieństwo wystąpienia takiego wydarzenia całkowicie przypadkowo wynosi 1:20. Jeśli jednak reszka wypadnie 75 razy to prawdopodobieństwo uzyskania takiego wyniku całkowicie przypadkiem wynosi 1:2 000 000. To wartość 5 sigma, od której w fizyce mówimy o odkryciu.

Odchylenie wynikające z badań DESI leży gdzieś pomiędzy wspomnianymi wartościami i w tej chwili nie potrafimy powiedzieć, czy to jedynie fluktuacja wyników czy dowód na to, że ciemna energia zmienia się w czasie.

Autor:

Źródło: Lawrence Berkeley National Laboratory

Stała wcale nie jest stałą? Teleskop DESI sugeruje że ciemna energia zmienia się w czasie