Ciemna energia może być zbędna. Grzebią przy Wielkim Wybuchu
Matematycy proponują model, w którym przyspieszona ekspansja Wszechświata wynika z równań Einsteina, bez dokładania ciemnej energii.
Ciemna energia miała być odpowiedzią na jedno z największych pytań współczesnej kosmologii: dlaczego Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Nowa praca matematyków związanych z Uniwersytetem Kalifornijskim w Davis sugeruje jednak, że być może nie trzeba dopisywać do kosmosu tajemniczego składnika. Wystarczy dokładniej przyjrzeć się temu, co dzieje się z równaniami opisującymi Wszechświat tuż przy Wielkim Wybuchu.
Ciemna energia była ratunkiem dla modelu
Pod koniec lat 90. astronomowie badający odległe supernowe typu Ia zobaczyli coś, czego nie spodziewano się w takiej skali. Wszechświat nie tylko się rozszerzał. Wyglądało na to, że tempo tej ekspansji rośnie. To był ogromny problem, bo grawitacja materii powinna raczej hamować ekspansję, a nie ją przyspieszać.
Do wyjaśnienia tego zjawiska przywrócono pojęcie stałej kosmologicznej, oznaczanej grecką literą lambda. Zaczęto mówić o ciemnej energii, czyli czymś, co działa w skali całego kosmosu i ma odpowiadać za przyspieszoną ekspansję. W standardowym modelu kosmologicznym, nazywanym Lambda-CDM, ciemna energia jest dziś dominującym składnikiem bilansu Wszechświata.
Problem polega jednak na tym, że nikt nie wie, czym ona właściwie jest. To nie jest substancja złapana w laboratorium ani cząstka wykryta w detektorze. To element modelu, który bardzo dobrze pasuje do wielu obserwacji, ale jednocześnie zostawia fizyków z pytaniem, dlaczego kosmos miałby być w tak ogromnym stopniu zdominowany przez coś, czego natura pozostaje niejasna.
Właśnie dlatego każda próba wyjaśnienia przyspieszonej ekspansji bez ciemnej energii od razu przyciąga uwagę. Nie dlatego, że automatycznie obala cały dorobek kosmologii, lecz dlatego, że dotyka jednego z najbardziej niewygodnych miejsc współczesnej fizyki.
Matematycy wrócili do samych równań
Czy problem naprawdę wymaga dodania ciemnej energii, czy może tkwi w tym, jak opisujemy ekspansję Wszechświata? Autorzy w swojej pracy skupili się na równaniach Einsteina-Eulera, czyli połączeniu ogólnej teorii względności z opisem materii traktowanej jak płyn.
W kosmologii jest to całkowicie naturalne. W największych skalach Wszechświat zachowuje się jak jeden ogromny układ, którego nie da się sensownie opisać przez śledzenie każdej gwiazdy czy galaktyki z osobna. Właśnie dlatego badacze traktują materię jak kosmiczny płyn o określonej gęstości. Taki uproszczony opis pozwala badać, jak rozkład materii wpływa na geometrię czasoprzestrzeni i jak obie te rzeczy ewoluują razem zgodnie z równaniami Einsteina.
Standardowy obraz ekspansji opiera się na tzw. czasoprzestrzeniach Friedmanna. To modele matematyczne, w których Wszechświat jest jednorodny i izotropowy, czyli w dużej skali wszędzie podobny i taki sam w każdym kierunku. To bardzo mocne założenie, ale przez dekady okazało się niezwykle skuteczne. Dzięki niemu da się opisywać ekspansję, promieniowanie reliktowe, rozmieszczenie galaktyk i ewolucję kosmosu w prostym, spójnym języku.
Matematycy twierdzą jednak, że takie rozwiązania mają jeden, poważny problem. Według ich analizy czasoprzestrzenie Friedmanna są niestabilne przy Wielkim Wybuchu, zarówno w małych, jak i bardzo dużych skalach. A niestabilne rozwiązanie w fizyce jest jak ołówek stojący na czubku. Matematycznie może istnieć, ale najmniejsze zaburzenie wystarczy, by układ od niego odszedł.
Ołówek stojący na czubku to bardzo zły model Wszechświata
Porównanie do ołówka bardzo dobrze tłumaczy sedno sprawy. Można ustawić ołówek idealnie pionowo na czubku i przez ułamek sekundy powiedzieć: wszystko jest w równowadze. Tyle że to równowaga sztuczna. Wystarczy minimalny podmuch, drżenie stołu albo niedoskonałość powierzchni, by ołówek upadł. Taki stan nie jest typowy dla rzeczywistego świata.
Według autorów podobnie może być z klasycznym obrazem ekspansji opisanym przez rozwiązania Friedmanna. Model działa jako rozwiązanie równań, ale może być tak niestabilny, że rzeczywisty Wszechświat nie powinien trzymać się go dokładnie po Wielkim Wybuchu. Jeżeli pojawiają się naturalne odchylenia, to mogą one prowadzić do przyspieszeń, które z naszej perspektywy wyglądają jak efekt ciemnej energii.
Badacze nie twierdzą po prostu, że Wszechświat się nie rozszerza albo że obserwacje supernowych są bez znaczenia. Proponują inne źródło obserwowanego przyspieszenia. W ich perspektywie przyspieszenie może wynikać z samej dynamiki równań Einsteina, jeśli nie przykleimy Wszechświata zbyt mocno do idealnie jednorodnego modelu Friedmanna.
Wielki Wybuch to największe źródło niestabilności
W samej pracy kluczowe znaczenie ma analiza zachowania rozwiązań w pobliżu Wielkiego Wybuchu. Autorzy wykorzystują w tym celu formalizm zmiennych samopodobnych, stosowany do badania układów zachowujących tę samą strukturę przy zmianie skali. Takie podejście pozwala opisywać dynamikę czasoprzestrzeni w warunkach skrajnie wysokiej gęstości i temperatury, gdzie standardowe metody analizy stają się mniej użyteczne.
Według tej analizy klasyczne rozwiązania Friedmanna są punktem równowagi, ale takim, który ma charakter niestabilny. Z zaburzeń gęstości, zwłaszcza w wariantach niedogęstych, mogą wyłaniać się rozwiązania przyspieszające względem modelu Friedmanna. Co ważne, ta dodatkowa dynamika ma pojawiać się bez dokładania stałej kosmologicznej.
Mówiąc prościej: matematycy sugerują, że Wszechświat może wyglądać blisko standardowego modelu w pobliżu pewnego środka symetrii, ale w większych skalach naturalnie odchodzić od niego w sposób, który przypomina przyspieszoną ekspansję. Dla obserwatora mogłoby to wyglądać tak, jakby kosmos potrzebował ciemnej energii, choć mechanizm byłby czysto geometryczny i wynikał z równań ogólnej teorii względności.
To bardzo odważna propozycja. Nie chodzi tu o drobną korektę standardowego modelu kosmologii, ale o zakwestionowanie jednego z jego podstawowych założeń. Jeśli autorzy mają rację, to idealnie uśredniony model Friedmanna nie musi być stabilnym opisem Wszechświata przez całą jego historię.
Zasada kopernikańska robi się tu po prostu niewygodna
Nowa propozycja dotyka też zasady kopernikańskiej. To jedno z najważniejszych założeń nowoczesnej kosmologii, mówiąca o tym, że nie zajmujemy we Wszechświecie szczególnego, uprzywilejowanego miejsca. Ziemia nie jest centrum kosmosu, Droga Mleczna nie jest centrum kosmosu, a nasze położenie nie powinno być wyjątkowe.
Standardowy model dobrze wpisuje się w takie myślenie. Zakłada bowiem, że w największej skali Wszechświat jest jednorodny i wygląda podobnie w każdym kierunku. Innymi słowy, niezależnie od miejsca obserwacji, obraz kosmosu powinien być zasadniczo taki sam.
Alternatywne modele z symetrią sferyczną często budzą sprzeciw właśnie dlatego, że mogą wymagać specjalnego położenia obserwatora blisko środka. To powrót do kosmologii, w której ktoś musi siedzieć w wyróżnionym miejscu.
Autorzy formułują swoją odpowiedź trochę w tonie prowokacji, wskazując, że standardowy model z ciemną energią również zawiera swoistą szczególność. Żyjemy w epoce, w której gęstość materii barionowej i ciemnej energii pozostają w nieoczekiwanie zbliżonych rzędach wielkości – to tzw. problem koincydencji kosmicznej. Pytanie, dlaczego akurat teraz, po miliardach lat kosmicznej ewolucji, mielibyśmy być świadkami momentu, w którym ciemna energia zaczyna dominować w sposób obserwowalny, pozostaje bez rozstrzygnięcia.
To nie jest koniec ciemnej energii
Nowa praca nie oznacza oczywiście, że ciemna energia została obalona. To matematyczny argument, który proponuje alternatywny mechanizm przyspieszonej ekspansji. Żeby zmienić standardowy model kosmologii, nie wystarczy jedno równanie. Trzeba jeszcze pokazać, że nowy model pasuje do pełnego zestawu obserwacji.
Przeczytaj także:
Nowa propozycja musiałaby więc zrobić więcej niż powiedzieć, że da się uzyskać przyspieszenie bez ciemnej energii. Musiałaby pokazać, że da się odtworzyć cały kosmologiczny obraz z porównywalną albo lepszą dokładnością. To ogromne wyzwanie.
*Źródło grafiki wprowadzającej: AI; Canva Pro
