Lehet, hogy a sötét energia mégsem állandó

közel 3000 szupernóva adatai új lehetőséget nyújtanak a kutatóknak

A kozmológia jelenlegi standard modelljének egyik alapfeltevése szerint a Világegyetem gyorsuló tágulásáért felelős sötét energia időben változatlan. Matematikailag ezt a legegyszerűbben az Einstein-egyenletek kozmológiai állandójával, a Λ-val írjuk le. Egy új, csaknem háromezer Ia típusú szupernóvát egyesítő elemzés azonban ismét arra utal, hogy ez a feltételezés talán nem teljesen helyes: elképzelhető, hogy a sötét energia hatása a kozmikus idő műlásával változott.

A kutatók a Pantheon+ és a Dark Energy Survey ötéves szupernóva-adatbázisát egyetlen, egységes rendszerbe vonták össze. Az új, Unite nevű katalógus 2884 valószínűsíthető Ia típusú szupernóvát tartalmaz, és jelenleg ez a legnagyobb olyan összeállítás, amelyben az eltérő távcsövekkel, különböző korszakokban végzett megfigyeléseket egységes módszerekkel dolgozták újra. A vizsgálat lényegében három évtizednyi szupernóva-megfigyelést próbál ugyanazon kozmológiai mérőrendszerbe helyezni.

Az Ia típusú szupernóvák különösen fontosak a kozmológiában, mert fényességük megfelelő korrekciók után rendkívül jól összehasonlítható. Emiatt úgynevezett standardizálható gyertyaként használhatók: ha ismerjük, milyen fényesnek kellene lenniük, és megmérjük, mennyire halványnak látjuk őket, következtethetünk a távolságukra. Ha ehhez hozzávesszük a gazdagalaxisuk vöröseltolódását, megvizsgálhatjuk, hogyan változott a Világegyetem tágulási sebessége az elmúlt több milliárd évben. Éppen az ilyen szupernóvák vezettek az 1990-es évek végén ahhoz a felismeréshez, hogy a kozmikus tágulás gyorsul.

A módszer azonban jóval összetettebb annál, mint hogy egyszerűen összehasonlítjuk a szupernóvák fényességét. A robbanások fényét módosíthatja a csillagközi por, szerepet játszanak a gazdagalaxis tulajdonságai, a megfigyelőműszerek eltérő érzékenysége, a minták kiválasztási torzításai, sőt a távoli objektumok fénye gravitációs lencsézés során kissé felerősödhet vagy elhalványulhat. Az Unite elkészítésekor ezeket a hatásokat egységesen próbálták kezelni, és a szupernóvák több mint 98 százalékánál a gazdagalaxis csillagtömegét is újraszámolták.

A lényeg akkor jelentkezett, amikor az Unite eredményeit más, egészen eltérő kozmológiai mérésekkel kombinálták: a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás adataival, illetve a galaxisok eloszlásában megfigyelhető barionikus akusztikus oszcillációkkal, vagyis a korai Világegyetem hanghullámainak máig fennmaradt térbeli lenyomatával. Ebben a kombinációban feszültség jelentkezik a legegyszerűbb, állandó sötét energiát feltételező ΛCDM-modellel. Ha viszont megengedik, hogy a sötét energia állapotegyenlete időben változzon, az adatok jobban összeegyeztethetők egymással.

A kutatók valójában azt próbálják kideríteni, hogy a sötét energia mindig ugyanúgy hatott-e a Világegyetemre, mint ma. A legegyszerűbb kozmológiai modell szerint igen: a sötét energia sűrűsége állandó, ezért a kozmikus tágulásra gyakorolt hatása is egy jól meghatározott módon változik az idő múlásával. Az új adatok azonban azt sugallják, hogy a kép ennél bonyolultabb lehet.

Amikor megengedték a számításaikban, hogy a sötét energia tulajdonságai az Univerzum története során lassan változhassanak, a különböző megfigyelések valamivel jobban illeszkedtek egymáshoz. Ez azért lenne rendkívül fontos, mert ebben az esetben a sötét energia nem egyszerűen az üres tér egy változatlan tulajdonsága lenne. Elképzelhetővé válna, hogy valamilyen eddig ismeretlen fizikai mező áll mögötte, vagy akár az is, hogy a gravitáció működéséről alkotott jelenlegi elméletünk szorul kiegészítésre a legnagyobb kozmikus léptékeken.

A kutatók természetesen ezt matematikai paraméterekkel is leírják, de ezek pontos értékeinél jelenleg fontosabb maga a tendencia: az adatok enyhén afelé mutatnak, hogy a sötét energia hatása nem feltétlenül volt mindig pontosan ugyanolyan. Ez még nem bizonyíték, inkább egy olyan jel, amelyet a következő évek sokkal pontosabb megfigyeléseinek kell megerősíteniük vagy cáfolniuk.

A felvetés azért különösen érdekes, mert nem ez az első alkalom, hogy hasonló eltérés jelentkezik. A DESI, a Dark Energy Spectroscopic Instrument hatalmas galaxistérképei korábban szintén arra utaltak, hogy a sötét energia talán lassan változik a kozmikus idő során. Most a szupernóvák távolságmérése, vagyis egy nagyrészt független megfigyelési módszer is hasonló irányba mutat. Éppen ez teszi izgalmassá az eredményt: két különböző módszer kezd ugyanarra a lehetséges eltérésre utalni.

Ugyanakkor még messze vagyunk a felfedezéstől. A kutatók többféle statisztikai módszert alkalmaztak, és ezek nem teljesen ugyanazt mondják. Gyakori­sági statisztikával az időben változó sötét energia előnye körülbelül 3,1–3,3 szigma, ami figyelemre méltó, de jóval elmarad attól az 5 szigmás szinttől, amelyet a részecskefizikában és gyakran a kozmológiában is felfedezésként kezelnek. A Bayes-féle modellösszehasonlítás ezzel szemben csak gyenge előnyt talált az időben változó sötét energia javára. Ez a különbség nagyon lényeges. A jelenlegi eredmény azt jelenti, hogy az egyik legnagyobb és legegységesebb szupernóva-adatbázis olyan eltérést mutat, amely jobban illeszkedhet egy időben változó sötét energiához, mint az egyszerű kozmológiai állandóhoz.

Ráadásul a szupernóva-kozmológiában a parányi szisztematikus hibák is komoly következményekkel járhatnak. Egy néhány százalékos változás abban, ahogyan a szupernóvák fénygörbéjét kalibráljuk, vagy ahogyan a közeli és távoli objektumokat egymáshoz viszonyítjuk, elmozdíthatja a kozmológiai paramétereket. A mérési bizonytalanságok és az eltérő kalibrációs módszerek kezelése jelentősen megváltoztathatja az eredmény statisztikai erősségét.

Ha viszont a jel a következő megfigyelések során megerősödik, annak nagyon messzire vezető következményei lennének. A ΛCDM modell egyik legfurcsább összetevője éppen a kozmológiai állandó: a kvantumtérelmélet alapján becsült vákuumenergia és a kozmológiából következtetett érték között óriási eltérés van. Egy változó sötét energia azt jelezhetné, hogy nem egyszerű vákuumenergiával van dolgunk, hanem egy új, dinamikusan fejlődő mezővel, módosított gravitációval vagy egy olyan fizikával, amely kapcsolatot teremthet a kvantumelmélet és az általános relativitás között.

A következő évek ezért döntőek lehetnek. Az Unite katalógushoz további közeli szupernóvákat adnak majd, többek között a Dark Energy Bedrock All-Sky Supernova Survey megfigyeléseiből, miközben a DESI folytatja a galaxisok háromdimenziós térképezését. Emellett a Nancy Grace Roman Űrtávcső egyik legfontosabb feladata éppen annak vizsgálata lesz, hogy a kozmikus gyorsulásért felelős komponens valóban állandó-e, vagy változott az Univerzum története során.

Az eredmény tehát egyelőre nem a standard kozmológia megdöntése. Sokkal érdekesebb helyzet alakult ki: több, egymástól eltérő megfigyelési módszer kezd ugyanarra a kérdésre mutatni. Lehetséges, hogy a ΛCDM továbbra is kiváló közelítés, és az eltérés eltűnik a pontosabb kalibrációkkal. De az is elképzelhető, hogy a sötét energia eddig feltételezett állandósága csak egyszerűsítés volt, és a Világegyetem gyorsuló tágulását szabályozó fizika maga is változik a kozmikus időben.

Ha ez utóbbi igaz, akkor a sötét energia megértése nem egy ismeretlen kozmológiai paraméter meghatározását jelenti majd. Egy teljesen új fizikai jelenséget kell megmagyaráznunk.

forrás: space pont com