Mitä on pimeä energia? | Avaruus

Pimeä energia on nimitys salaperäiselle voimalle, joka saa maailmankaikkeutemme laajenemisnopeuden kiihtymään ajan myötä sen sijaan, että se hidastuisi. Tämä on vastoin sitä, mitä voisi odottaa alkuräjähdyksessä alkaneelta maailmankaikkeudelta. Tähtitieteilijät havaitsivat 1900-luvulla, että maailmankaikkeus laajenee. He ajattelivat, että laajeneminen saattaisi jatkua ikuisesti tai lopulta – jos maailmankaikkeudessa olisi tarpeeksi massaa ja siten riittävästi omaa painovoimaa – kääntyä päinvastaiseksi ja aiheuttaa alkuräjähdyksen. Nyt, 2000-luvun alun kosmologiassa, tämä ajatus on kehittynyt. Maailmankaikkeuden katsotaan laajenevan nykyään nopeammin kuin miljardeja vuosia sitten. Mikä voisi aiheuttaa laajenemisnopeuden nopeutumisen? Tähtitieteilijät puhuvat nyt toisinaan repulsiivisesta voimasta mahdollisena tapana ymmärtää tämä.

1990-luvun loppupuolelle asti useimmat kosmologit uskoivat, että maailmankaikkeudessa ei ollut tarpeeksi massaa, jotta se olisi aiheuttanut Ison räjähdyksen. Erityisesti 2dF-galaksien punasiirtymätutkimuksen ja Sloanin digitaalisen taivaankartoituksen (Sloan Digital Sky Survey) keräämät tiedot näyttivät vahvistavan, että maailmankaikkeus laajenisi ikuisesti, vaikkakin alati hidastuvalla vauhdilla, kun maailmankaikkeuden oma massa ja oma painovoima yrittivät vetää sitä takaisin.

Ensimmäiset merkit jostain vallankumouksellisesta löytymässä olevasta ilmiöstä tulivat vuonna 1998 tyypin 1 A supernovien tutkimuksen yhteydessä. Nämä kuolevien jättiläistähtien massiiviset räjähdykset ovat erittäin hyödyllisiä tähtitieteilijöille, koska ne tuottavat aina saman määrän valoa, ja siksi niitä voidaan käyttää niin sanottuina ”standardikynttilöinä” kosmoksen etäisyyksien laskemiseen. Tämä on hyvin yksinkertainen ajatus. Ajattele tulikärpäsiä yöllä: ne loistavat kaikki samalla kirkkaudella. Mittaamalla, kuinka kirkkaita ne ovat sieltä, missä olet, voit laskea niiden etäisyyden.

Vuoden 1998 tutkimusta teki kaksi kansainvälistä tähtitieteilijäryhmää, joihin kuuluivat amerikkalaiset Adam Riess ja Saul Perlmutter sekä Brian Schmidt Australiasta. Käyttämällä kahdeksaa teleskooppia eri puolilla maailmaa heidän tavoitteenaan oli laskea tyypin 1A supernovien etäisyyden avulla maailmankaikkeuden laajenemisnopeus, joka tunnetaan Hubble-vakiona (vaikka todellisuudessa, koska maailmankaikkeuden laajenemisnopeus vaihtelee ajan myötä, se ei ole teknisesti ottaen vakio).

Tutkimuksen tulokset olivat hämmästyttäviä. Kaukana olevat supernovat, jotka räjähtivät, kun maailmankaikkeus oli vain 2/3 sen nykyisestä iästä, olivat paljon himmeämpiä kuin niiden olisi pitänyt olla, ja olivat siten paljon kauempana. Tästä seurasi, että maailmankaikkeus oli laajentunut paljon nopeammin kuin sen olisi pitänyt laajentua, jos nykyiset käsitykset pitivät paikkansa.

Tähtitieteilijäyhteisössä suhtauduttiin näiden tulosten paljastuessa hyvin epäilevästi, mutta havainnot toistettiin pian muilla ryhmillä ja muilla menetelmillä. Vuosituhannen vaihteeseen mennessä oli käynyt selväksi, että maailmankaikkeuden laajeneminen ei ole hidastumassa, kuten yleisesti uskottiin. Se itse asiassa kiihtyy.

Vielä oudompaa oli, että laajeneminen oli odotetusti hidastunut, kunnes seitsemän tai kahdeksan miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Mutta sitten, täysin tuntemattomista syistä, salaperäinen ”antigravitaatiovoima” alkoi dominoida, voittaen painovoiman laajentumiselle asettaman jarrun, joka sitten peruutti hidastumisensa ja alkoi kiihtyä.

Voit kuvitella, miten järkyttävä tämä paljastus oli tähtitieteilijöille ja kosmologeille.

Tutkijat nimesivät tämän kiihtyvyyden aiheuttaneen voiman pimeäksi energiaksi. Tässä tapauksessa pimeä tarkoittaa pikemminkin tuntematonta kuin kirjaimellisesti pimeää, kuten pimeän aineen kohdalla. On huomattava, että pimeä energia ja pimeä aine ovat täysin toisistaan riippumattomia ilmiöitä. Lue lisää:

Mysteerin lisäämiseksi tämän oudon pimeän energian ominaisuudet näyttävät sopivan yhteen Einsteinin kosmologisen vakion kanssa, jota joskus kutsutaan hänen huijauskertoimekseen ja jota Einstein itse kuvaili myöhemmin elämänsä suurimmaksi ammatilliseksi kömmähdykseksi. Einstein inhosi ajatusta laajenevasta maailmankaikkeudesta ja piti 1900-luvun alkupuolella suosittua tasaista kosmologiaa parempana. Hän keksi määrittelemätöntä alkuperää olevan painovoiman vastapainoksi maailmankaikkeuden havaitulle laajenemiselle, mikä johtaisi siihen, että maailmankaikkeus ei laajenisi. Einstein kuitenkin perui myöhemmin tämän ajatuksen, jota havainnot eivät tukeneet.

Pimeä energia on yksi kosmologian suurista ratkaisemattomista mysteereistä. Sen uskotaan nykyään muodostavan 68 prosenttia kaikesta maailmankaikkeudessa, kun taas normaalin, niin sanotun ”baryonisen” aineen – kaiken aineen, jonka voimme nähdä – osuus on vain 5 prosenttia, ja loput ovat pimeää ainetta, joka on toinen suuri kosminen mysteeri.

Pimeä energia käyttäytyy Einsteinin antigravitaatiovoiman tavoin, mutta sen luonne ja alkuperä ovat edelleen tuntemattomia. Yksi sen suurimmista mysteereistä on se, miksi pimeä energia alkoi dominoida maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta tiettynä ajankohtana miljardeja vuosia alkuräjähdyksen jälkeen. Jos se on olemassa nyt, miksei se ollut siellä koko ajan?

Pimeän energian fysiikka on hyvin spekulatiivista. Yksi viime vuosina yleistynyt ajatus on, että pimeä energia muistuttaa ”kvintessenssiksi” kutsuttua voimaa, joka on Higgsin kentän sukulainen. Mutta toistaiseksi ei ole havaintotodisteita, jotka tukisivat tai kumoaisivat tämän.

Kosmologit eivät myöskään tiedä, kiihdyttääkö pimeä energia maailmankaikkeuden laajenemista ikuisesti, mikä johtaa kaukana tulevaisuudessa skenaarioon, jossa kiihtyvyys voittaa maailmankaikkeutta koossa pitävät voimat ja kirjaimellisesti repii kaiken kosmoksen materian kappaleiksi painajaismaisessa skenaariossa, jota kutsutaan nimellä Iso repeämä.

Pimeän energian luonnetta tutkivat useat nykyiset ja tulevat avaruuslennot ja maanpäälliset tutkimukset, kuten NASAn kiertoradalla kiertävä WFIRST-teleskooppi ja Chilessä sijaitseva kansainvälinen Dark Energy Survey.

Toivotaan, että pääsemme pian ymmärtämään paremmin tätä salaperäistä voimaa, joka vaikuttaa niin paljon kosmoksen tulevaisuuteen, mutta saadaksemme tämän ymmärryksen meidän on hahmotettava maailmankaikkeuden paljon täydellisempi historia. 13,7 miljardin vuoden arkeologia on kuitenkin äärimmäisen vaikeaa ja aikaa vievää, sillä niin monet muinaiset kerrostumat tuosta historiasta puuttuvat tai ovat epämääräisiä, joten emme voi odottaa mitään äkillisiä paljastuksia.

Pohjimmainen: Maailmankaikkeus laajenee nopeammin kuin vanhemmat teoriat ennustivat. Pimeä energia, yksi kosmologian suurista ratkaisemattomista mysteereistä, saattaa aiheuttaa sen kiihtyvän laajenemisen. Pimeän energian uskotaan nyt muodostavan 68 prosenttia kaikesta maailmankaikkeudessa.