Što je tamna energija?

Tamna energija je hipotetski oblik energije koji fizičari predlažu kako bi objasnili ne samo zašto se svemir širi, već i zašto to čini ubrzanom brzinom.

Zamislite tamnu energiju kao "zlu kopiju" gravitacije - "anti-gravitacijsku" silu koja stvara negativni tlak koji ispunjava svemir i rasteže samo tkivo prostor-vremena. Dok to čini, tamna energija sve većom brzinom razdvaja svemirske objekte umjesto da ih spaja zajedno kao što to čini gravitacija.

Procjenjuje se da tamna energija čini između 68% do 72% ukupne energije i materije svemira, proračun materije/energije , što znači da snažno dominira i tamnom tvari i svakodnevnom materijom.

Jedini pravi odgovor na pitanje "što je tamna energija?" trenutno je "ne znamo" koliko god to nezadovoljavajuće moglo biti. Međutim, znanstvenici nisu potpuno u neznanju. Postoje vodeći kandidati za tumačenje tamne energije.

To uključuje energiju vakuuma svemira  —  čestice koje doslovno iskaču i izlaze iz postojanja u praznom prostoru — i "petu silu" odgovornu za negativni tlak koji bi mogao uzrokovati ubrzano širenje svemira.

Što tamna energija radi (a što ne radi)?

Ako tamna energija uzrokuje sve brže širenje svemira, ne bismo li trebali vidjeti kako se naša šalica za kavu pomiče od nas ili primijetiti da nam putovanje na posao svakim danom postaje sve duže?

Ovakve stvari ne vidimo da se događaju (iako nam se ponekad može činiti da se to događa) jer objekti koji su gravitacijski vezani poput zvijezda, planetarnih sustava, zvjezdanih skupova, galaksija, skupova galaksija, pa čak i naša šalica za kavu i stol, čini se da ne doživljavaju učinke tamne energije. Gravitacija još uvijek pobjeđuje tamnu energiju u malim razmjerima.

Čini se da tamna energija djeluje samo na najvećim razmjerima svemira, pri čemu je širenje svemira fenomen koji se može izmjeriti samo promatranjem galaksija i drugih kozmičkih objekata koji su odvojeni ogromnim prazninama u svemiru reda veličine milijuna, milijardi, pa čak i desetke milijardi svjetlosnih godina međusobno i daleko od nas. I što je veća udaljenost koja razdvaja te kozmičke objekte, oni se brže udaljavaju jedni od drugih.

Kao jednostavnu analogiju za ovo, zamislite da nacrtate tri točke na ispuhanom balonu, dvije blizu jedna uz drugu, a treću dalje. U ovoj analogiji, tamna energija je dah koji puše u balon svladavajući gravitaciju predstavljenu napetosti gume balona. Kako se balon napuhuje, sve tri točke će se udaljavati jedna od druge, ali će se najudaljenija točka udaljavati brže.

To je poput tri galaksije, dvije blizu jedna uz drugu, a druga udaljenija, od kojih se potonja brže udaljava jer se prostor između nje i ostalih galaksija, poput gume balona, rasteže, a više prostora znači više širenja.

Trenutno znanstvenici procjenjuju da se galaksije svakih milijun godina udaljavaju jedna od druge za 0,007%. Američki teoretski astrofizičar Ethan Siegel objasnio je u kolumni za Big Think da u "stvarnom smislu" astronomi zaključuju da se kozmički objekt udaljen 100 milijuna svjetlosnih godina udaljava brzinom od 2150 kilometara u sekundi. U međuvremenu, galaksija udaljena milijardu svjetlosnih godina udaljava se 10 puta brže brzinom od oko 21.500 km/s.

Brzina širenja izmjerena je za galaksiju Galaxy GN-z11, jednu od najstarijih ikada otkrivenih galaksija koju vidimo onakvom kakva je bila kad je svemir bio star samo 400 milijuna godina. Procijenjenih 32 milijarde svjetlosnih godina daleko, tamna energija širi tkivo svemira takvom brzinom da se GN-z11 udaljava od nas procijenjenom brzinom od 687.000 km/s — dvostruko više od brzine svjetla.

Iako je istina da ništa ne može putovati svemirom brže od brzine svjetlosti u vakuumu, 299.792 km/s, tamna energija pokazuje da sam tkivni prostor nema takvo ograničenje brzine.

Dok se odvajaju, galaksije zadržavaju svoj oblik i ne šire se iznutra zahvaljujući drugom 'tamnom' aspektu svemira  —  tamnoj tvari.

Neka vas slični nazivi ne zavaravaju, tamna energija i tamna tvar, ponekad grupirane zajedno i opisane kao "mračni svemir",  vjerojatno nisu povezane osim s nekoliko površnih sličnosti.

Tamna energija i tamna materija – u čemu se razlikuju?

Oba "mračna" aspekta svemira su misteriozni i do sada su prkosili objašnjenju, oba se ne mogu izravno detektirati, a njihovo postojanje se može zaključiti temeljem učinka koji imaju na vidljivu materiju. No, netočno je razmišljati o tamnoj energiji jednostavno kao o energetskom ekvivalentu tamne tvari.

Tamna tvar ne stupa u interakciju sa svjetlom kao što to čini materija sastavljena od atoma sačinjenih od protona i neutrona, dijela obitelji barionskih čestica, koja nas svakodnevno okružuje i poznata je kao "barionska materija".

Tamna tvar je stoga doslovno "tamna" i stoga se prefiks u "tamnoj materiji" koristi više doslovno nego u "tamnoj energiji" pri čemu samo aludira na misterioznu prirodu.

Glavni način na koji znamo da tamna tvar postoji je njezin gravitacijski učinak držanja galaksija zajedno. Bez gravitacijskog utjecaja tamne tvari, galaksije se vrtlože tako brzo da bi gravitacijski utjecaj njihove vidljive materije  —  zvijezda, planeta, plina i prašine  —  bio nedovoljan da ih spriječi da se razlete.

To znači da, dok tamna energija razdvaja stvari u velikim razmjerima, tamna tvar drži galaksije na okupu u manjim razmjerima. U tom pogledu, tamna energija i tamna tvar gotovo bi se mogle smatrati suprotnim učincima u svemiru.

Gotovo je kao da su tamna energija i gravitacija u kozmičkom ratu sa svemirom kao užetom. Glavni konkurent s najvećom "privučnošću" na strani gravitacije je tamna tvar. Ali koliko "mišića" zapravo ima tamna tvar?

Što se tiče sadržaja energije i materije u svemiru, vidjeli smo da tamna energija čini otprilike 68% do 72%. To ostavlja oko 32% do 28% proračuna materije i energije svemira za sve ostalo  —  uglavnom tamnu tvar i barionsku tvar.

Prema CERN-u tamna tvar nadmašuje barionsku materiju u svemiru u omjeru od oko 6 prema 1. To znači da je oko 25% ovog proračuna energije/materije tamna tvar i rezultira šokantnom spoznajom da materija koja čini zvijezde, planete i sve što vidimo oko sebe, ne predstavlja više od 5% ukupnog sadržaja svemira.

Nije ni čudo da je rješavanje misterija mračnog svemira postala hitna briga znanstvenika, jer postojanje istog znači da doslovno nemamo pojma što je oko 95% svemira.

Kakve dokaze imamo za tamnu energiju?

Prvu detekciju tamne energije putem otkrića da se širenje svemira ubrzava napravila su dva tima znanstvenika koji su radili neovisno krajem 1990-ih.

Ti su timovi provodili istraživanja supernova tipa Ia, kozmičkih eksplozija koje se događaju kada masivne zvijezde umru i koje proizvode svjetlosne emisije toliko jednolike da su izvrsne za mjerenje svemirskih udaljenosti.

To je zato što dok se svemir širi, svjetlost iz udaljenih izvora kojoj treba dugo da putuje do Zemlje ima "rastegnutu" valnu duljinu . Kako je crvena boja povezana s dugovalnom svjetlošću, to rezultira crvenilom svjetlosti koje astronomi nazivaju "crveni pomak".

Što je izvor svjetlosti udaljeniji, to je njegova svjetlost više pomaknuta u crveno, s izvorima iz izuzetno udaljenih izvora koji su postojali kad je svemir bio mlad pomaknuli su se u infracrveno područje elektromagnetskog spektra.

Astronomi su promatrali takve takozvane supernove "standardne svijeće" kako bi pokušali izmjeriti brzinu univerzalnog širenja  —  koja se naziva Hubbleova konstanta.

Otkrili su kako su udaljenije supernove koje su eksplodirale dok je svemir bio puno mlađi bile blijeđe od očekivanog. To je značilo da su te supernove bile dalje nego što bi trebale biti, što implicira da se širenje svemira ubrzava.

Isto bi otkriće bilo potvrđeno daljnjim promatranjima i mjerenjima polja zračenja preostalog neposredno nakon Velikog praska nazvanog "Kozmička mikrovalna pozadina (CMB)".

Kozmološka konstanta i tamna energija: najgore predviđanje u povijesti fizike

Otkriće crvenog pomaka svjetlosti iz udaljenih izvora, a time i širenja svemira, od strane poznatog astronoma Edwina Hubblea 1930-ih, natjeralo je Alberta Einsteina da izbaci faktor iz svojih jednadžbi koji se zove kozmološka konstanta, predstavljena grčkim slovom lambda (λ).

Kada je Einstein formulirao opću teoriju relativnosti 1915. godine, bio je iznenađen što je ukazivala na to da bi se svemir trebao širiti ili skupljati. Budući da je veliki fizičar bio naklonjen ideji o postojanom svemiru kao i mnogi u to vrijeme, to je bio problem.

Kako bi se borio protiv toga, Einstein je uveo λ  —  samopriznati "faktor lažiranja" za koji se kasnije govorilo da ga je opisao kao svoju "najveću grešku"  ( kao oblik "anti-gravitacije") kako bi uravnotežio gravitaciju i osigurao da svemir koji je modelirao bude stabilan – bez širenja i skupljanja.

Stoga je kozmološka konstanta bila ograničena na kozmičku kantu za smeće, no tamo neće dugo ostati. Otkriće da se širenje svemira ubrzava bilo je još više zapanjujuće od Hubbleovog otkrića i ironično, natjeralo je kozmologe da spase kozmološku konstantu λ. Danas se λ koristi za predstavljanje učinka tamne energije, novog oblika 'anti-gravitacije' koja razdvaja svemir umjesto da ga održava stabilnim.

Nažalost, kozmološka konstanta λ predstavlja jednaku glavobolju za kozmologe sada kao što je nekad bila za Einsteina. Sada je možda i veća.

Glavni osumnjičeni za λ trenutačno je energija vakuuma samog svemira koja zapravo vrši negativan pritisak na kozmičke objekte. To bi značilo da je tamna energija posvuda ista, no postoji veliki problem s ovim objašnjenjem.

Postoji veliki nesrazmjer između velike vrijednosti energije vakuuma koju predlaže kvantna teorija i vrijednosti λ dobivene promatranjem. Teorijska procjena za ovu energiju praznog prostora iz kvantne teorije polja je negdje u redu od 1 X 10^120 (1 nakon čega slijedi 120 nula) veća od vrijednosti λ koju astronomi promatraju u kozmosu gledajući crveni pomak supernova.

Stoga su s dobrim razlogom procjene λ iz kvantne teorije polja neki znanstvenici nazvali "najgorim teoretskim nagađanjem u povijesti fizike". Ipak, i usavršavanje ovog polja fizike i naš napredak u astronomiji ne pomažu u otklanjanju ovog nesrazmjera, već ga jačaju. Ipak, to nije jedini razlog zašto je tamna energija toliko zabrinjavajuća.

Zašto je tamna energija toliko zabrinjavajuća?

Hubbleovo otkriće da se svemir širi možda je šokiralo znanstvenu zajednicu, uključujući Einsteina, ali spoznaja da se to širenje ubrzava i potreba za uvođenjem tamne energije bila je uistinu zapanjujuća i daleko više zabrinjavajuća za fizičare.

Prije kasnih 1990-ih, fizičari su pretpostavili da su svi oblici materije i energije privlačni te da će svemir na kraju usporiti svoje širenje zahvaljujući učinku gravitacije.

Otkriće tamne energije i ubrzanog širenja svemira ovu je ideju potpuno okrenulo naglavačke. Da bismo zamislili zašto je to toliko zabrinjavajuće za fizičare, razmotrite još jednu jednostavnu analogiju.

Zamislite kako gurate dijete na ljuljački, pri čemu je prvo guranje analogno onome što je pokrenulo početno razdoblje brze inflacije koje nazivamo Veliki prasak.

Ljuljačka doseže određeni ekstrem u svom luku  —  analogno trenutnom brzom širenju koje karakterizira Veliki prasak  —  a zatim počinje usporavati, dijete i ljuljačka polako se zaustavljaju.

Procjenjuje se da je početna inflacija prestala između 10^-33 i 10^−32 sekunde nakon Velikog praska, a širenje se nastavlja milijardama godina nakon toga, iako mnogo sporije.

Tijekom tog razdoblja svemira, gravitacija je bila dominantna sila, omogućavajući sve većim i većim strukturama poput zvijezda, galaksija i galaktičkih klastera da poprime oblik. Zatim se između procijenjenih 3 do 7 milijardi godina dogodilo nešto zanimljivo, tamna energija preuzela je gravitaciju i svemir se ponovno počeo brzo širiti.

Vraćajući se našem scenariju ljuljanja, početak ovog drugog kruga širenja je kao da se iznenada, bez primjene daljnjeg guranja, ljuljanje nastavlja kretati brže i brže i dosezati veće visine  —  izgleda kao da prkosi gravitaciji.

Ono što tamna energija čini tkivu prostor-vremena u ovoj epohi svemira kojom dominira tamna energija analogno je tom "fantomskom guranju".

Ako ste zabrinuti što će se dogoditi s djetetom na ljuljački dok ubrzava u našoj analogiji, razmislite koliko kozmolozi moraju biti zabrinuti zbog toga što tamna energija znači za sudbinu svemira.

Zašto je važno razumijevati tamnu energiju?

Razumijevanje tamne energije ključno je za izgradnju točnog modela kako se svemir razvijao tijekom vremena, a to uključuje oblik koji poprima i kako će završiti.

I podrijetlo i sudbina svemira određeni su njegovom "kritičnom gustoćom" koju Swinburneov centar za astrofiziku i superračunalstvo definira kao "prosječnu gustoću materije potrebnu da svemir odjednom zaustavi svoje širenje, ali tek nakon beskonačnog vremena."

Ako je gustoća materije/energije svemira jednaka kritičnoj gustoći, tada je u smislu geometrije svemir ravan poput lista papira. U svemiru kojim dominira materija, kritična gustoća je između gustoće koju zahtijeva "teški svemir" u kolapsu i gustoće "lakog svemira" koji se zauvijek širi.

Ukupan sadržaj svemira bez tamne energije samo je oko 30% onoga što je potrebno za ravni svemir, što je vrsta geometrije koju bi svemir trebao imati ako je nastao Velikim praskom. To je zato što je rana inflacija trebala "izgladiti" svemir geometrijski poput lista papira.

Dodavanje tamne energije svemirskom proračunu mase i energije "nadopunjuje" ga dovoljno da svemir bude ravan, a u najjednostavnijim modelima kozmičke inflacije, dovodi gustoću svemira blizu kritične gustoće.

Prije uvođenja tamne energije kozmolozi su pretpostavili da će na kraju privlačni utjecaj gravitacije nadjačati širenje svemira. To bi moglo dovesti do nekoliko mogućih "krajeva" za svemir, od kojih je jedan "Big Crunch". Isti je sugerirao da će se svemir početi skupljati i uvlačiti u sebe.

Ubrzanje širenja svemira odbacuje ovu ideju. Ako tamna energija nastavi ubrzavati širenje svemira tada bi, umjesto Big Crunch-a, sudbina mogla biti "Big Rip".

To je scenarij u kojem tamna energija na kraju postaje dominantna nad svakom od temeljnih sila svemira  —  gravitacijom, elektromagnetizmom te jakim i slabim nuklearnim silama  —  lomeći ili parajući sve što je trenutno povezano tim silama, bilo da su to galaksije, planete, ljudi, pa čak i protoni i neutroni koji čine atome.

Izvor: Space