Sötét energia nélkül is megérthető az Univerzum gyorsuló tágulása

474

Az ELTE kutatói a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters rangos nemzetközi csillagászati folyóiratban jelentették meg legújabb eredményeiket, melyek szerint sötét energia nélkül is meg lehet magyarázni az Univerzum gyorsuló tágulását.

Tudományos háttér

Az Univerzum 13,7 milliárd évvel ezelőtt, az Ősrobbanás során keletkezett, és azóta folyamatosan tágul. A tágulás fő bizonyítéka a megfigyeléseken alapuló Hubble-törvény, mely kimondja, hogy minél távolabb van tőlünk egy galaxis, annál nagyobb a látszólagos távolodási sebessége, azaz színképvonalai annál inkább a vörös felé tolódnak el. A galaxisok egymástól való távolodásáért nem a galaxisok saját mozgása, hanem az Univerzum tágulása felelős.

Távcsöveinkkel az elektromágneses sugárzás különböző tartományaiban kémleljük az eget, így közvetlenül csak a galaxisokat alkotó csillagok és egyéb fénylő objektumok, illetve a fényt elnyelő gáz- és porfelhők figyelhetők meg. A galaxisok mozgásának pontos feltérképezéséből és az Univerzum kezdetéről származó kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás megfigyeléseiből tudjuk, hogy a hagyományos anyagfajták mellett léteznie kell az ún. sötét anyagnak, mely csak a gravitációs kölcsönhatásban vesz részt, vagyis fényt nem bocsát ki és nem nyel el, következésképpen csak gravitációs hatásán keresztül detektálható.

Az anyag mozgását nagy távolságokon számottevően befolyásolni képes egyedüli erő a gravitáció, így a galaxisok mozgását is szinte kizárólag a gravitáció határozza meg. Az általános relativitáselmélet keretei között a gravitációt (azaz a tér görbületét), valamint az anyag mozgását és a tér tágulását az Einstein-egyenletek írják le. Szemléletesen fogalmazva: a tér megmondja az anyagnak, hogyan mozogjon, az anyag pedig meghatározza, hogy a tér hogyan görbüljön. Az Einstein-egyenleteket a teljes Univerzumra alkalmazva olyan matematikai egyenletekre jutunk, melyekből kiszámítható a tér tágulási üteme. Az egyenletek alapján a galaxisok egymástól való távolodási sebessége idővel csökkenhet vagy nőhet, attól függően, hogy mennyi az Univerzumban található, tömegvonzással kölcsönható anyag mennyisége, illetve hogy létezik-e a taszító jellegű, a tágulást gyorsítani képes sötét energia. Többféle kozmológiai modell létezik, melyek első sorban abban különböznek egymástól, hogy a különböző anyag- és energiafajták milyen eloszlását feltételezik. A modellek paraméterei csillagászati megfigyelések alapján határozhatók meg, és a valóságot legpontosabban leíró modell az egyre precízebb mérések alapján választható ki.

A korai Univerzumot kitöltő hagyományos és sötét anyag kezdetben szinte teljesen egyenletes eloszlású volt, de a gravitáció hatására idővel csomósodni kezdett, és létrejöttek a csillagok, valamint az azokból felépülő galaxisok. Nagyobb skálán tekintve a galaxisok nem egyenletesen töltik ki a teret, hanem habszerű szerkezetet alkotnak: a buborékok közti falakba, hosszú elnyúlt szálakba, ún. filamentumokba és halmazokba csoportosulnak. A buborékos szerkezet hatalmas üregeiben szinte alig található galaxis. Az Univerzum nagy skálás szerkezetét a 2000-es évek óta ismerjük részletesen; a galaxisok eloszlásának háromdimenziós feltérképezésében az ELTE kutatói is fontos szerepet játszottak.

nodarkenergy
A galaxisok eloszlása az Univerzum egy szeletében a Sloan Digitális Égtérképezés észlelései alapján (jobbra), illetve az anyageloszlás modellezése N-test szimulációval (balra).

Sajnos az Einstein-egyenletek általános esetben egzaktul nem oldhatók meg, ezért a kozmológusok közelítéseket alkalmaznak. A legáltalánosabban használt közelítés, azaz a kozmológia standard modellje szerint az Univerzum a galaxisok méretét jóval meghaladó távolságskálákon homogénnek és izotrópnak tekinthető, azaz a teret kitöltő anyag eloszlása minden irányban egyenletes. Ezzel az egyszerűsítéssel élve már létezik az Einsten-egyenleteknek olyan egzakt matematikai megoldása, az ún. Friedmann-egyenlet, mely megadja a tér tágulásának ütemét az idő függvényében. Bár ez az egyszerűsített kozmológiai modell a kezdeti mérések alapján meg is egyezett a megfigyelésekkel, a 2000-es évek elején szupernóvák fényességének észlelései alapján nyilvánvalóvá vált, hogy az Univerzum egyre gyorsuló ütemben tágul, mely a homogén és izotróp modell alapján csak úgy volt magyarázható, hogy bevezették a teret egyenletesen kitöltő, a gravitációval ellentétes hatású, taszító jellegű sötét energiát. A legutóbbi kozmológiai megfigyelések alapján a sötét energia az Univerzum jelenlegi teljes energiaháztartásához (beleértve a teljes tömeget is a nevezetes E=mc2 képlet értelmében) 68%-kal járul hozzá. A gyorsuló tágulás távoli szupernóvákon alapuló felfedezését 2011-ben Nobel-díjjal jutalmazták, de a magyarázatként feltételezett sötét energia mibenlétéről máig semmit sem tudunk. Nagy probléma, hogy földi laboratóriumokban a titokzatos energiának eddig semmi nyomát nem találták, és a rá vonatkozó részecskefizikai elméletek is egymásnak ellentmondóak.

Új kutatási eredmények

Az ELTE Komplex Rendszerek Fizikája Tanszékén dolgozó Rácz Gábor és Beck Róbert PhD hallgatók Dobos Lászlóval, Csabai Istvánnal és a valamikor szintén az ELTE-n végzett, jelenleg a University of Hawaii-on professzor Szapudi Istvánnal közösen megkérdőjelezték, hogy létezik-e egyáltalán a sötét energia, és felvetették, hogy talán más módon is magyarázható az Univerzum gyorsuló tágulása. Feltevésük szerint a problémát a standard kozmológia azon közelítése okozza, mely figyelmen kívül hagyja az Univerzumban szemmel láthatóan jelen levő struktúrákat. Nem mindegy ugyanis, hogy az Univerzum anyagának a tér teljes egészére vonatkoztatott átlagsűrűsége szerint meghatározott módon tágul, vagy a tágulás léptékét alapvetően a lokális struktúrák sűrűsége határozza meg, és a megfigyelések során a különböző térrészek más-más léptékű tágulásának átlagát észleljük. A kutatók egy számítógépes szimulációt (ún. N-test szimulációt) készítettek, melyben sok millió tömeggel rendelkező sötétanyag-részecske eloszlását és gravitációs kölcsönhatását modellezték. A szimuláció segítségével rekonstruálták az Univerzum fejlődését, az anyag kezdeti csomósodását és a nagy léptékű struktúrák kialakulását. Vizsgálataik során kimutatták, hogy ha a tér tágulásának meghatározásakor átlagos sűrűséggel − azaz egyenletes anyageloszlással − számolnak, akkor, más kutatók eredményeivel egyező módon, csak a sötét energia bevezetésével hozhatók összhangba a szimuláció eredményei a csillagászati észlelésekkel. Amennyiben viszont figyelembe vették, hogy a különböző sűrűségű térrészek különbözőképpen, mintegy mini-univerzumokként, egymástól eltérő módon tágulnak, akkor a sötét energia bevezetése nélkül is rekonstruálni tudták a megfigyeléseket, azaz a Univerzum gyorsuló tágulását.

Habár a standard kozmológia és az ELTE kutatóinak új elmélete egyaránt jó magyarázatot nyújt az eddigi kozmológiai megfigyelések nagy részére, bizonyos esetekben az új modell pontosabban egyezik a mérésekkel. A kutatók azt remélik, hogy a szimuláció továbbfejlesztésével és a közeljövőben elvégzendő precízebb mérések segítségével az új modell még jobban alátámasztható lesz, és teljes egészében kizárhatóvá válik a sötét energia létezése.

Forrás: Rácz G. és mtsai., MNRAS Letters, megjelenés alatt (preprint: arXiv.org:1607.08797)

Hozzászólás

hozzászólás