Stworzyli największą mapę 3D Wszechświata. Przez nich nauka ma problem
Zbudowana przez Dark Energy Spectroscopic Instrument mapa bardzo poważnie podsyca to, co fizycy coraz częściej nazywają kryzysem kosmologii.
DESI to instrument zainstalowany na 4‑metrowym teleskopie Mayalla w Kitt Peak National Observatory w Arizonie. Nie jest to kosmiczny teleskop w stylu Hubble’a czy Webba, tylko bardzo sprytnie skonstruowany naziemny instrument. Jego supermocą nie jest rozdzielczość zdjęć, ale tempo zbierania widm - czyli rozszczepionego światła, z którego można wyczytać odległość i prędkość obiektów. Na ognisku teleskopu znajduje się 5000 światłowodów którymi DESI jednocześnie „podpina się” do 5000 galaktyk lub gwiazd na niebie. Co około 20 minut ten zestaw ustawia się na nowym fragmencie nieba i zaczyna kolejne zaciąganie danych.
Plan na pięcioletnią misję był ambitny: zebrać widma około 34 mln galaktyk i kwazarów. Udało się przebić oczekiwania - DESI zbadał ponad 47 mln galaktyk i kwazarów, a do tego ponad 20 mln gwiazd w naszej własnej Drodze Mlecznej. Razem daje to największą wysokorozdzielczą trójwymiarową mapę Wszechświata, jaką kiedykolwiek zbudowano.
Czytaj też:
Ta mapa obejmuje około 11 mld lat historii kosmosu. Każdy punkt to galaktyka, a gęstsze obszary pokazują, jak materia w skali kosmicznej układa się w coś, co nazywamy „kosmiczną siecią”: włókna, węzły, pustki. To trochę jak patrzenie na strukturę internetu, tylko że zamiast routerów i światłowodów mamy gromady galaktyk i ciemną materię.
Co nam daje mapa 47 mln galaktyk?
Kosmologia - w dużym uproszczeniu - polega na tym, że patrzymy jak Wszechświat się rozszerza i jak w tym rozszerzającym się bycie układa się materia. Z tego da się wyciągnąć informacje o tym, ile jest ciemnej materii, ile ciemnej energii, jak szybko rośnie skala kosmiczna i czy tempo tego wzrostu się zmienia.
DESI jest zaprojektowany dokładnie do tego celu, a więc do mierzenia jak galaktyki były rozłożone w różnych epokach historii Wszechświata. Robi to między innymi przez śledzenie tzw. oscylacji akustycznych barionów (BAO - baryon acoustic oscillations). To ślad fal dźwiękowych z bardzo wczesnego Wszechświata, który zostawił charakterystyczną „skalę” w rozkładzie galaktyk. Ta skala działa jak kosmiczna linijka.
W praktyce to trochę jak z monitorami: jeśli znasz fizyczną przekątną i rozdzielczość, to z liczby pikseli możesz policzyć gęstość upakowania pikseli i porównać różne modele. DESI robi coś podobnego, tylko zamiast pikseli ma galaktyki, a zamiast DPI - parametry kosmologiczne.
Standardowy model kosmologiczny - czyli „Wszechświat 1.0”
Od lat fizycy posługują się tzw. modelem ΛCDM (Lambda-CDM). W tej układance „Λ” (lambda) to stała kosmologiczna - matematyczny sposób opisania ciemnej energii, która ma być stała w czasie i przestrzeni. „CDM” to cold dark matter - zimna ciemna materia, która nie świeci, ale grawitacyjnie trzyma galaktyki i gromady w ryzach. Ten model jest zaskakująco prosty jak na coś, co ma opisywać cały Wszechświat - i bardzo dobrze pasuje do wielu danych.
Problem w tym, że im dokładniej mierzymy Wszechświat, tym bardziej widać, że coś tu zgrzyta. Najgłośniejszy zgrzyt to tzw. napięcie Hubble’a - różnica między wartością stałej Hubble’a (czyli tempa rozszerzania się Wszechświata) wyliczoną z wczesnego Wszechświata (Planck, mikrofalowe tło) a wartością mierzoną z lokalnych obserwacji supernowych i innych świec standardowych. Różnica jest na tyle duża, że trudno ją zrzucić na błędy pomiarowe.
DESI już wcześniej zamieszał. W ubiegłym roku zespół obsługujący instrument opublikował pierwsze duże wyniki z trzech lat obserwacji. Już wtedy pojawiła się sugestia, że ciemna energia może nie być stała - że jej „siła” mogła się zmieniać w czasie. To był pierwszy poważny argument wymierzony w założenie, że Λ w modelu ΛCDM jest naprawdę stałą kosmologiczną, a nie tylko wygodnym parametrem w równaniach.
Teraz mamy pełny, pięcioletni zestaw danych - ponad 47 mln galaktyk i kwazarów, 11 mld lat historii. Oficjalne, szczegółowe analizy będą się ukazywać stopniowo, bo taki dataset to złoto na lata pracy dla setek naukowców. Ale już pierwsze wnioski, o których pisze m.in. Gizmodo, są jasne: DESI nie gasi „kryzysu kosmologii”. Wręcz przeciwnie - dolewa do niego paliwa.
W skrócie: kiedy dopasowujemy model ΛCDM do danych z DESI widać, że coś nie do końca gra. Dane zdają się preferować scenariusze, w których ciemna energia nie jest idealnie stała, tylko ewoluuje w czasie. To jeszcze nie podważa ΛCDM, ale to również bardzo poważny sygnał, że standardowy model może być tylko przybliżeniem czegoś bardziej złożonego.
Co to znaczy, że ciemna energia „ewoluuje”?
W języku kosmologów ciemną energię opisuje się m.in. przez tzw. parametr stanu, oznaczany zwykle jako w. Dla idealnej stałej kosmologicznej w = -1. Jeśli pomiary sugerują, że w jest inny niż -1 albo że zmienia się w czasie - to znaczy, że ciemna energia nie jest prostą, niezmienną stałą w równaniach, tylko czymś bardziej dynamicznym.
To niesie za sobą ogromne konsekwencje. Jeśli ciemna energia ewoluuje to historia rozszerzania się Wszechświata wygląda inaczej niż przewiduje ΛCDM. To z kolei wpływa na to, jak interpretujemy napięcie Hubble’a, jak liczymy wiek Wszechświata, a nawet - w skrajnych scenariuszach - jak może wyglądać jego odległa przyszłość (czy rozszerzanie się będzie przyspieszać w nieskończoność, czy kiedyś zwolni, czy wydarzy się coś jeszcze bardziej egzotycznego).
Sformułowanie „kryzys kosmologii” brzmi poważnie, ale w nauce takie kryzysy są zwykle początkiem czegoś ciekawego. Standardowy model kosmologiczny działał zaskakująco dobrze przez dwie dekady. Teraz kolejne, coraz dokładniejsze eksperymenty - Planck, supernowe, przeglądy galaktyk, a teraz DESI - pokazują, że ten model nie składa się idealnie ze wszystkimi danymi.
To trochę jak z klasyczną mechaniką Newtona. Przez długi czas była wystarczająco dobra do opisu większości zjawisk. Dopiero bardzo precyzyjne pomiary i ekstremalne przypadki (orbita Merkurego, prędkości bliskie prędkości światła) ujawniły, że potrzebujemy ogólnej teorii względności. Nikt nie wyrzucił Newtona do kosza - po prostu wiemy, gdzie jego model przestaje działać. Z ΛCDM może być podobnie.
Z perspektywy kogoś, kto lubi technologię i naukę, to jest w gruncie rzeczy świetna wiadomość
Oznacza, że nie żyjemy w „nudnym” Wszechświecie, który da się opisać kilkoma parametrami w prostym modelu i zamknąć temat. Dokładniejsze dane potrafią złamać nasze ulubione teorie. Instrumenty są na tyle precyzyjne, że widzą subtelne różnice w tym jak galaktyki układały się 10 mld lat temu. A modele są na tyle dojrzałe, że wiemy, gdzie dokładnie przestają pasować.
DESI nie daje jeszcze odpowiedzi na pytanie, jak naprawdę działa ciemna energia. Ale daje coś, co w nauce jest równie cenne: bardzo precyzyjne, bardzo niewygodne pytania. I jeśli największa 3D mapa Wszechświata mówi nam dziś, że standardowy obraz kosmosu jest niekompletny, to jest to dokładnie ten rodzaj „kryzysu”, który pcha technologię, teorię i wyobraźnię do przodu. Reszta to już tylko kwestia czasu, kolejnych analiz i - jak zawsze - kilku odważnych pomysłów, które na początku będą wyglądały jak herezja, a za kilkanaście lat trafią do podręczników.
