Az univerzum egyik legnagyobb rejtélyét, a sötét energia természetét kutató új európai űrtávcsövet bocsátanak fel rövidesen.
A tervek szerint most hétvégén, a jelenlegi tervek szerint július 1-jén, magyar idő szerint 17:12-kor bocsátják fel a floridai Cape Canaveral űrközpontból a Euclid (ejtsd: „juklid”) nevű űrtávcsövet, amellyel mindeddig elképzelhetetlen számú, összesen egymilliárd galaxis felmérését szeretnék elvégezni, remélhetőleg megoldva ezáltal a kozmológia egyik legnagyobb rejtélyét. A kutatás az égbolt egyharmadát fedi majd le, időben pedig olyan galaxisokig tekint vissza, amelyek fénye akkor indult el, amikor az univerzum kora a mai 13,8 milliárd évnek mindössze negyede volt. Bár a feladat hatalmas, a Euclid elsődleges célja meglepően egyszerű. Az általa összegyűjtendő adatok alapján egyetlen, w-vel jelölt szám értékét szeretnék meghatározni. A kozmológusok pedig – meglehet, kissé kétségbeesetten – abban reménykednek, hogy az nem –1 lesz.
A w a sötét energia hatását írja le. Ennek a titokzatos antigravitációs erőnek tulajdonítjuk az univerzum gyorsuló tágulását. Minden eddigi mérés arra utal, hogy w értéke –1-hez közeli. Ha kiderülne, hogy pontosan –1, az megerősítené a sötét energia természetének „triviális” megoldását, mégpedig azt, hogy az nem más, mint az Albert Einstein által a gravitációelméletében bevezetett egyszerű finomhangolás, az úgynevezett kozmológiai állandó, amely az üres teret egyfajta veleszületett rugalmassággal ruházza fel. Az univerzum tágulásával folyamatosan egyre több tér keletkezik, így a sötét energia összmennyisége is nő, az energiasűrűség pedig mindig állandó marad.
A kozmológusok számára ez a megoldás a lehető legrosszabb kimenetel lenne, mivel egy semmire sem használható tényezőt kapnának csak, amely semmit nem mond se a sötét energia forrásáról, se arról, hogy miért éppen ennyi az értéke. „Ha w értéke éppen –1, ugyanúgy nem fogjuk tudni, hogy mi ez, mint eddig” – magyarázza Ofer Lahav, a University College London (UCL) asztrofizikusa. Ha akár csak kicsivel is eltérne a –1-től, vagy jobb esetben értéke az idővel változna, az a kozmológusokat új, átfogó elmélet irányába terelhetné, amelyből új fizikai felismerések születhetnének. „Reméljük, hogy találunk valami kapaszkodót” – mondja Mark Halpern, a University of British Columbia kozmológusa.
A probléma megoldását nem csak az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA) 1,4 milliárd euró költségvetésű Euclid-küldetése tűzte ki célként. Több kisebb előtanulmány után a Euclid az első a rövidesen induló többmilliárd dolláros sötétenergia-projektek közül, mint például az Egyesült Államok által alapított Vera C. Rubin Obszervatórium, amelynek felmérőtávcsöve 2025-ben kezdi meg működését Chilében, vagy a NASA 2026-ban felbocsátani tervezett, Nancy Grace Romanról elnevezett űrtávcsöve. „Az egész közösség dollármilliárdokat költ arra, hogy megtudja, a w értéke vajon –1 vagy sem. Ha nem, az újabb Nobel-díjat jelenthet” – teszi hozzá Lahav.
A kutatók abban bíznak, hogy ha végső megoldással nem is szolgálnak, a távcsövek legalább szűkíthetik a kozmológiai állandó alternatíváiként felmerülő lehetőségek egyre bővülő listáját, amelyen megtalálható például az Einstein-féle gravitációelmélet felülvizsgálata, vagy új, különböző formában fellépő, esetleg időben változó fizikai kölcsönhatás bevezetése. „Minden héten születnek új elméletek” – kezdi Celia Escamilla-Rivera, az Universidad Nacional Autónoma de México kozmológusa. „De a modellek adatok hiányában olyanok, mint a leves tészta nélkül.” A NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) asztrofizikusa, Jason Rhodes szerint izgalmas időszak ez egy kozmológus életében: „Lehet, hogy új fizika felfedezésének küszöbén állunk.”
Huszonöt évvel ezelőtt megdöbbentette a világot csillagászok egy csoportjának bejelentése, miszerint az univerzum ősrobbanással kezdődött tágulása nem lassul, mint azt a gravitáció hatásaként mindenki várta. Éppen ellenkezőleg, a tágulás valamiképpen felgyorsult. A kutatók 50 úgynevezett Ia típusú szupernóva-robbanás mérései alapján állították ezt, amelyekben a felrobbanó fehér törpék legnagyobb fényessége már előre megmondható. A csoport azt találta, hogy a legtávolabbi robbanások halványabbak – és így távolabbiak – voltak, mint amilyennek lenniük kellett volna, ha a kozmikus tágulás állandó ütemű vagy lassuló. „A közösség teljesen összezavarodott” – emlékszik vissza Lahav.
A sötét energia névvel ellátott „nemtudjukmi” felfedte magát. Azóta számos újabb bizonyíték erősítette meg a létét, több száz újabb szupernóva-robbanástól kezdve a galaxisok halmazokba rendeződési folyamatának időbeli lefolyására vonatkozó megfigyeléseken keresztül az ősrobbanás utófényében, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban (cosmic microwave background, CMB) fellelt mintázatokig. A ma nagyjából mindenki által elfogadott lambda–CDM-modell szerint az univerzumnak három összetevője van: 5%-a úgynevezett közönséges, főleg atomos anyag, 27%-a egyelőre még nem detektált részecskékből álló hideg sötét anyag (cold dark matter, CDM), 68%-a pedig a szintén ismeretlen, rejtélyes forrású sötét energia.
A kozmikus receptben a görög lambda betű az egyik lehetséges magyarázatra, a kozmológiai állandóra utal, amelyet 1917-ben Einstein is javasolt. Gravitációelméletének, az általános relativitáselméletnek egyik problémáját szerette volna megoldani a bevezetésével. Abban az időben a csillagászok úgy vélték, hogy az univerzum statikus, amit csak úgy tartottak lehetségesnek, hogy a kollapszus, az összeomlás irányába ható gravitáció ellenében valami fenntartja ezt az állapotot. Az üres térhez állandó mennyiségű energiát adva megoldottnak tűnt a probléma, de maga Einstein sem békült meg soha ezzel az ötlettel. Bő évtized múltán meg is szabadult tőle, amikor másokkal együtt Edwin Hubble kimutatta, hogy a távoli galaxisok az ősrobbanás következtében távolodnak egymástól.
Ma a lambda másodvirágzását éli, de továbbra is csak fizikai magyarázat nélküli „laborfaktor”, egyik lehetséges magyarázata egészen biztosan nem állja meg a helyét. A mikrovilágot leíró kvantummechanika szerint a vákuumnak szinte sisteregnie kellene az ingadozásokból származó energiától, amely részecske-antirészecske párok folyamatos keletkezését és eltűnését okozza. A vákuumpezsgés jósolt energiája azonban elképzelhetetlenül nagy: a lambda észlelt értékének 10120-szorosa (120 nulla az egyes után). „Ez pedig a létezésünkkel összeegyeztethetetlen” – mondja Ue-Li Pen, a Perimeter Intézet elméleti fizikusa. „Az univerzum felrobbanna.”
A kozmológusok a teret ideális folyadékként kezelik, a leírásban a w a folyadék nyomásának (p) és energiasűrűségének (ε) aránya. A negatív érték kifelé irányuló nyomás jelent, a pontosan –1 érték pedig azt jelzi, hogy a nyomás a kozmosz állandó, változatlan jellemzője. A –1-től való eltérés olyan sötétenergia-sűrűségre utalna, amely az idővel nő vagy csökken, illetve olyan világegyetemre, amely ennek következtében egyre gyorsulva tágul, vagy előbb-utóbb elkezd összehúzódni. Jelenleg minden megfigyelés – a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzástól és az univerzum fejlődésének legkorábbi szakaszaitól kezdve az utolsó néhány milliárd évének történéseivel bezárólag – arra utal, hogy a w értéke hibahatáron belül –1.
Az alaposabb megértés érdekében a csillagászok szeretnék minél jobban megismerni a kozmikus történelem „középkorát” is, különösen azt a több mint 7 milliárd évvel ezelőtti időszakot, amikor az univerzum még kisebb volt, és még a gravitáció dominált a sötét energiával szemben. Szeretnék megfigyelni a lassulásból gyorsuló tágulásba történő átmenetet, de eddig nem voltak meg a megfelelő eszközeik ahhoz, hogy ilyen messzire visszatekinthessenek. A földfelszíni távcsöveket bolygónk légköre korlátozza abban, hogy kellő pontosságú méréseket végezzenek a 3 milliárd évnél távolabbi múltban. „Ezeket a méréseket csak a világűrből tudjuk elvégezni” – magyarázza az Euclid-projekt kutatója, az ESA munkatársa, René Laurejus.
Az ESA-hoz 2007-ben két projektjavaslatot is benyújtottak, amelyek különböző technikákat alkalmazva először vizsgálták volna a világűrből a sötét energiát. A Dark Universe Explorer elnevezésű projekt az úgynevezett gyenge gravitációs lencsézést használná ki: a köztes anyag gravitációs hatása elhajlítja a távoli galaxisok fényét, ami a képük kicsiny torzulásaiként jelenne meg. Ellentétben az erős gravitációs lencsézéssel, ami az objektumok képét elmosódott ívekké torzítja, esetleg meg is többszörözi, ezek szemmel nem érzékelhető változások, a gyenge lencsézés hatása csak galaxisképek nagy mintájának statisztikai összehasonlításával, elemzésével mérhető ki.
A projektjavaslat szerint a mérések alapján a csillagászok meg tudnák határozni a leképezett galaxisok és a Föld közötti anyag csomósodásának mértékét is. A különböző távolságokban elhelyezkedő galaxisokra vonatkozó mérésekből pedig az is kideríthető, hogyan alakult a gravitáció és a sötét energia küzdelme az eonok során.
A másik, Spectroscopic All-Sky Cosmic Explorer (SPACE) elnevezésű projektjavaslat az úgynevezett barionikus akusztikus oszcillációkat (baryonic acoustic oscillations, BAOs) használná ki. Ezek nem sokkal az ősrobbanás után gerjesztődtek, amikor az univerzum fotonok és gáz kavargó elegyéből állt. A sűrűbb anyagcsomók nyomáshullámokat generáltak a levesben, amelyek az anyagot fodrozódásokba koncentrálták az egyes csomók körül. Ezek a fodrozódások statisztikailag kimutathatók a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban, lenyomatuk ma a galaxisok távolságának eloszlásában 490 millió fényévnél megjelenő csúcsként látható.
Galaxisok millióinak feltérképezésével és a „méterrúd” különböző időpontokban mért méretének meghatározásával a csillagászok fel tudnák mérni a tágulás ütemét, és meg tudnák figyelni a sötét energia hatását. A galaxisok eloszlása „kozmológiai laboratórium”, mondja a Bolognai Egyetem munkatársa, a SPACE-projektjavaslat vezetője, Andrea Cimatti. „A szükséges pontosság eléréséhez azonban nagyon nagy adathalmazra, az univerzum nagyon nagy térfogatának megfigyelésére van szükség.”
Az ESA nem választott a két kozmológiai projekt közül, inkább azt javasolta, hogy egyesítsék azokat egyetlen űreszközön, és 2011-ben jóváhagyták a Euclid-projektet. A házasság azonban nem volt könnyű, sőt: „Bonyolult volt” – mondja az Edinburghi Egyetem munkatársa, John Peacock, a Euclid-projekt egyik alapítója. „Egy sor kompromisszumot kellett kötnünk.”
A Euclid 1,2 méteres főtükre által összegyűjtött fénnyel például különböző műszerek igényeit kell kielégíteni. A gyenge lencsézés felmérésének látható tartománybeli fényre van szüksége az éles képek elkészítéséhez, míg a BAO-felmérés az infravörös tartományban tudja elvégezni a még távolabbi galaxisok feltérképezését, mivel az univerzum tágulása miatti vöröseltolódás fényüket már ebben a tartományba tolta. A Euclid vezetői a Zeiss optikai gyárat bízták meg olyan rétegzett üveg előállításával, amely lehetővé teszi az infravörös sugárzás áthaladását egyik műszercsoport felé, a látható tartományba eső fényt viszont visszaveri egy másik műszercsoporthoz.
A mérnökök úgy döntöttek, hogy a Euclid tükreit és egyéb alkatrészeit szilícium-karbidból, a gépkocsik fékbetétjeiben és a golyóálló mellényekben is használt anyagból készítik el, mivel alakját csak nagyon kis mértékben befolyásolják a hőmérséklet-ingadozások, ami alapvető fontosságú ahhoz, hogy a hatéves felmérés során végig a lehető legjobb minőségű gyenge lencsés képek készülhessenek. A szilícium-karbiddal azonban nehéz dolgozni: az alkatrészeket porból kell formázni, majd kerámiává kell égetni. A távcső detektorait tartó alaplemezzel különösen sok gond akadt, mondja Giuseppe Racca, a Euclid-projekt egyik vezetője az ESA-nál. A technikusok folyton apró repedéseket találtak, így a hibátlan lemez öntése a tervezettnél két évvel tovább tartott. „Két vagy három eredménytelen próbálkozásunk volt” – emlékszik vissza Racca.
A BAO-felmérés csoportjának kompromisszumokat kellett kötnie. A galaxisok távolságának pontos méréséhez megfelelő pontosságú vöröseltolódás-értékek szükségesek, amelyeket csak színképekből lehet meghatározni. A csoport több ezer apró, vezérelhető elemből álló tükörsort akart használni, hogy az egyedi galaxisok fényét a spektrográfba irányítva sok-sok galaxis színképét rögzítse egyszerre. Az ESA azonban kockázatosnak ítélte ezt a megoldást, mivel még soha nem tesztelték azt űreszközön. A felmérés így egy rács és egy prizma együttesét (grating prism vagy grism, magyarul rácsprizma vagy „prács”) használja majd, amely a látómezőbe eső összes forrás színképét egyszerre állítja elő, és azokat szintén egyszerre rögzíti egy kamera. „Egyszerű és brutális” – von egyenleget Peacock. Ez a megközelítés azonban bonyolult képfeldolgozást igényel az egymást átfedő spektrumok szétválasztásához, és a nem kívánt objektumok, például az előtércsillagok színképeinek eltávolításához.
Az infravörös kamerába szánt érzékelők szintén okoztak fejfájást. A Euclid tervezői a kaliforniai Teledyne Technologies detektorait szerették volna használni, ezeknek azonban katonai célú alkalmazásaik is vannak, így az Egyesült Államok exportellenőrzési szabályai alá esnek. A közvetítő szerepét a NASA vállalta, beszerezte az érzékelőket, majd a JPL-ben tesztelte és csomagolta azokat, cserébe a műszereket építő és az adatokat majd feldolgozó kétezer fős Euclid-konzorciumban száznál is több helyett kaptak az amerikai kutatók. A járulékos bürokrácia azonban nagyon megterhelő volt. „Még az európai kollégákkal folytatott megbeszéléseket is engedélyeztetni kellett” – érzékelteti a folyamat nehézségeit Rhodes.
2022 elejére az űreszköz már csaknem teljesen készen állt. Ekkor azonban Oroszország megtámadta Ukrajnát, és a nyugati szankciók miatt meghiúsult a terv, hogy a Euclid egy orosz Szojuz rakétával emelkedjen az űrbe. Az űreszközt az előzetesen kiválasztott hordozóval történő felbocsátás közben fellépő igénybevételekre tervezték, így a váltás nem egyszerű. Tavaly év végére azonban az ESA megfelelő alternatívát talált a SpaceX Falcon–9 rakétájában. „Aggodalommal és bizonytalansággal teli időszak volt” – emlékszik vissza Bhuvnesh Jain, a Pennsylvania Egyetem kozmológusa.
A Euclid jelenleg egy floridai tisztaszobában várakozik, készen a július elejére tervezett indításra, majd az azt követő egy hónapos útra a Földtől 1,5 millió kilométerre lévő L2 gravitációs egyensúlyi pontig, ahol a James Webb-űrtávcső is működik. A Euclid amerikai vetélytársai, a Roman-teleszkóp és a Rubin Obszervatórium később kapcsolódnak be a sötét energia kutatásába. A három projekt az égbolt különböző részein, különböző hullámhosszakon, a három alapvető módszer (gyenge lencsézés, BAO, szupernóvák) kombinálásával kutatja majd a sötét energiát. A Roman a Euclidénál nagyobb tükrével messzebb tud majd visszapillantani a múltba, de kisebb égboltterületet vizsgál. A földfelszíni Rubin nem lát majd olyan messze, mint a másik kettő, de a vele tervezett optikai és infravörös felmérés lesz a legátfogóbb.
Mindkét csoport szeretné elsőként megoldani a sötét energia rejtélyét, de minden bizonnyal szükségük lesz egymás bizonyítékaira, hogy bármely felfedezésük valódiságáról meggyőzzék a közösséget, mondja Rhodes. „Tíz évnyi munka, mindhárom csoport adatainak pixelszintig terjedő közös és kifinomult elemzése vezet el a sötét energiával kapcsolatos legmeggyőzőbb kijelentésekig.”
Az elméleti szakemberek joggal remélik, hogy az adatok megkérdőjelezik majd a jelenlegi elképzeléseket, megjegyezve, hogy már az eddigi megfigyelések szerint is legalább két gond van a lambda–CDM-modellel. Az egyik az univerzum tágulásának ütemét jellemző H0 Hubble-állandó értéke körüli bizonytalanság. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásra vonatkozó vizsgálatok alapján a Földtől 1 Mpc (1 megaparszek, azaz 3,26 millió fényév) távolságban lévő galaxis 68 km/s sebességgel távolodik, feltéve, hogy a közönséges és a sötét anyag, valamint a sötét energia alkotta elegyben az összetevők aránya a lambda–CDM-modellnek megfelelő. Ha azonban a csillagászok a közeli galaxisok távolodási sebességét mérik szupernóvák távolsága alapján, illetve egyéb módszerekkel, 73 km/s értéket kapnak egy 1 Mpc távolságú galaxisra. A kutatók kezdetben azt gondolták, hogy az eltérés egyszerűen a mérési hibákból adódik – az ilyesmiket nehéz mérni –, a módszerek finomodásával és új technikák megjelenésével azonban a hibahatárok jelentősen csökkentek, a Hubble-feszültségnek (Hubble tension) nevezett eltérés azonban továbbra is megmaradt.
A másik gond az S8 nevű független paraméterhez kapcsolódik, amely az anyag csomósodását jellemzi a galaxisok kozmikus hálójában. Ha ismételten a lambda–CDM-modell által előírt összetevőarányokat vesszük, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás csomósodásának méréseiből az S8 ma megfigyelhető értékére vonatkozó előrejelzést tehetünk. Az univerzum közeli tartományainak csomósodási mértéke azonban 10%-kal elmarad az előrejelzéstől. „A kettő között közvetlen kapcsolatnak kellene lenni, de nem tudjuk ezt a kapcsolatot felrajzolni” – mondja Rhodes. Az eltérés újabb rés a lambda–CDM pajzsán.
A Hubble-feszültség problémájának megoldására az elméleti szakemberek modellek sorát dolgozták ki, amelyekre együttesen a „korai sötét energia” elnevezéssel hivatkoznak. Az elképzelés szerint a sötét energia egy formája még a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás keletkezése előtt adott egy korai lökést az univerzumnak, ami növelné a CMB-adatokból meghatározott H0-értéket. Escamilla-Rivera ezt „nagyon jó jelöltnek” tartja. A CMB ősi fényének polarizáltságára (a rezgés irányítottságára) vonatkozó legújabb megfigyelések is utalnak erre a korai növekedési lökésre. Az S8 problémáját azonban ez sem oldaná meg, és a bizonyítékok a Hubble-probléma esetében sem elég szilárdak ahhoz, hogy meggyőzzék Jaint. „A sötét energia megjelent, eltűnt, majd újra megjelent – ez nem hangzik túl jól” – mondja.
A kozmológiai állandó más alternatíváihoz hasonlóan a korai sötét energia is egy teljesen új kölcsönhatást igényel. Egyes elméleti szakemberek ezt az erőt az egész univerzumot átható mezőként vagy folyadékként írják le, és a „kvintesszencia” névvel hivatkoznak rá. Lényege, hogy a kozmikus történelem során változik az értéke, és lehet vonzó, de taszító is. Nagyjából 10 milliárd évvel ezelőtt válthatott át vonzásból taszításba, a kozmikus tágulás ütemét fokozatosan a gyorsulás irányába változtatva. A változékonysága megjósolhatatlan: lehet, hogy a tágulást az exponenciálisnál is gyorsabb ütemre készteti, és egy „nagy szakadásban” az egész kozmoszt széttépi, de az is elképzelhető, hogy újra vonzóvá alakul, és az univerzumot végül egy „nagy reccsben” összeroppantja.
A Euclid és más sötétenergia-szondák adatai megerősíthetik ezt a képet. Ha w értékében akár csak egy kicsiny eltérést is detektálnak a –1-től – bizonyítékát annak, hogy a sötét energia időben nem állandó –, az szöget ütne a kozmológiai állandó koporsójába. „A legfontosabb, amit mindannyian tudni szeretnénk: változik-e a sötét energia?” – összegez Peacock.
További lehetőség, hogy a gravitáció elméletét kell felülvizsgálni. Az általános relativitáselmélet széles távolságskálákon old meg rejtélyeket, a közeli Merkúr pályájától kezdve a galaxishalmazok gravitációs lencsézéséig, de még soha nem tesztelték igazán nagy, kozmikus távolságokon, ahol egyesek szerint csődöt mondhat. A BAO-méterrúd mérésein túl a Euclid spektroszkópiai felmérése azt a folyamatot is feltérképezheti, hogy idővel a gravitáció hogyan rendezte a galaxishalmazokat lapos és fonalas szerkezetbe, kialakítva így a kozmikus hálót. Ha ezen struktúrák növekedésének módja eltér az általános relativitáselmélet előrejelzéseitől, akár Einstein elmélete is felülvizsgálatra szorulhat, ekkor viszont nem lesz szükség a sötét energiára. „Ha Einstein elmélete hibás, alternatív elméletek egész sora áll készenlétben” – mondja Peacock.
Az L2 ponthoz történő megérkezés és néhány hónapos kalibrálás után – elkerülve a Tejútrendszer csillagaival, illetve por- és gázanyagával zsúfolt területeket – a Euclid elkezdi az égbolt 36%-át lefedő felmérést, amelynek során 10 milliárd évre tekint vissza a múltba. Mindössze két nap alatt az égboltnak akkora területét fogja átvizsgálni, amekkorát a Hubble-űrtávcső több mint három évtized alatt. Becslések szerint 10 milliárd galaxist, csillagot és naprendszerbeli objektumot fog rögzíteni, új vizsgálható célpontokat azonosítva a James Webb-űrtávcső és a nagy földfelszíni teleszkópok számára. „Sokféle tudományterületnek lesz valóságos aranybánya” – lelkendezik Yannick Mellier asztrofizikus (Párizsi Asztrofizikai Intézet), a Euclid-konzorcium vezetője.
Az adatcunamiból a Euclid-konzorcium egymilliárd galaxis képét elemzi a gyenge lencsézés szempontjából, valamint több tízmillió galaxis színképét, hogy a BAO-felmérés számára meghatározza a térbeli pozíciójukat. A cél a w értékének 1%-nál kisebb hibával történő meghatározása, amely egy nagyságrenddel jobb lenne, mint az eddigi becslések.
Mivel még mindig nem sikerült kitalálniuk, hogy mi alkotja az univerzum kétharmadát, a kozmológusok megfelelő alázattal és lélegzetüket visszafojtva követik az eseményeket. „Egyelőre még nagyon keveset tudunk, és semmilyen bizonyítékunk nincs arra, hogy nem a kozmológiai állandót látjuk működés közben” – mondja Jo Dunkley, a Princeton Egyetem munkatársa. „Remélem, öt éven belül erős bizonyítékot tudunk felmutatni arra, hogy a lambda–CDM-modell bizonyos tekintetben hibás.” Ha szerencsénk van, talán halvány sejtése is lesz arról, hogy mi léphet a helyébe…
Forrás: Science, 2023.06.22.
