Nota wydawcy: Ta historia została pierwotnie wydrukowana w lutym 2004 roku w Scientific American. Publikujemy go ponownie, ponieważ autor Adam Riess został wybrany przez Fundację MacArthura na stypendystę MacArthur Fellow w 2008 roku.
Od czasów Isaaca Newtona do późnych lat 90. ubiegłego wieku cechą definiującą grawitację była jej przyciągająca natura. Grawitacja utrzymuje nas na ziemi. Spowalnia wznoszenie się piłek baseballowych i utrzymuje Księżyc na orbicie wokół Ziemi. Grawitacja zapobiega rozpadowi naszego Układu Słonecznego i wiąże ze sobą ogromne gromady galaktyk. Chociaż ogólna teoria względności Einsteina dopuszcza, że grawitacja może zarówno pchać, jak i ciągnąć, większość fizyków uważała to za czysto teoretyczną możliwość, nie mającą znaczenia dla dzisiejszego wszechświata. Do niedawna astronomowie spodziewali się, że grawitacja spowolni ekspansję kosmosu.
W 1998 roku naukowcy odkryli jednak odpychającą stronę grawitacji. Uważnie obserwując odległe supernowe – gwiezdne eksplozje, które przez krótki czas świecą tak jasno jak 10 miliardów Słońc – astronomowie odkryli, że są one słabsze niż się spodziewano. Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tej rozbieżności jest to, że światło z supernowych, które eksplodowały miliardy lat temu, przebyło większą odległość niż przewidywali teoretycy. To wyjaśnienie z kolei doprowadziło do wniosku, że ekspansja wszechświata w rzeczywistości przyspiesza, a nie spowalnia. Było to tak radykalne odkrycie, że niektórzy kosmolodzy sugerowali, że spadek jasności supernowych był wynikiem innych efektów, takich jak pył międzygalaktyczny przyćmiewający światło. Jednak w ciągu ostatnich kilku lat astronomowie ugruntowali tezę o kosmicznym przyspieszeniu, badając coraz odleglejsze supernowe.
Ale czy kosmiczna ekspansja przyspieszała przez cały czas istnienia Wszechświata, czy też jest to stosunkowo niedawny rozwój, który nastąpił w ciągu ostatnich pięciu miliardów lat? Odpowiedź na to pytanie ma głębokie implikacje. Jeśli naukowcy stwierdzą, że ekspansja wszechświata zawsze przyspieszała, będą musieli całkowicie zrewidować swoje rozumienie ewolucji kosmicznej. Jeśli jednak, jak spodziewają się kosmolodzy, przyspieszenie okaże się zjawiskiem niedawnym, badacze będą w stanie określić jego przyczynę – i być może odpowiedzieć na większe pytanie o przeznaczenie wszechświata – dowiadując się, kiedy i jak ekspansja zaczęła nabierać tempa.
Bitwa tytanów
Mniej więcej 75 lat temu astronom Edwin Hubble odkrył ekspansję wszechświata, obserwując, że inne galaktyki oddalają się od naszej. Zauważył, że bardziej odległe galaktyki oddalają się szybciej niż te znajdujące się w pobliżu, zgodnie z tym, co obecnie znane jest jako prawo Hubble’a (względna prędkość równa się odległości pomnożonej przez stałą Hubble’a). W kontekście ogólnej teorii względności Einsteina prawo Hubble’a wynika z równomiernego rozszerzania się przestrzeni, które jest po prostu skalowaniem rozmiaru wszechświata.
W teorii Einsteina pojęcie grawitacji jako siły przyciągającej nadal obowiązuje dla wszystkich znanych form materii i energii, nawet w skali kosmicznej. Dlatego ogólna teoria względności przewiduje, że ekspansja wszechświata powinna zwalniać w tempie zależnym od gęstości materii i energii w jego obrębie. Jednak ogólna teoria względności dopuszcza również możliwość istnienia form energii o dziwnych właściwościach, które wytwarzają grawitację odpychającą. Odkrycie przyspieszającej, a nie zwalniającej ekspansji najwyraźniej ujawniło obecność takiej formy energii, zwanej ciemną energią.
To, czy ekspansja zwalnia, czy przyspiesza, zależy od bitwy między dwoma tytanami: przyciągającym grawitacyjnym przyciąganiem materii i odpychającym grawitacyjnym pchaniem ciemnej energii. W tej rywalizacji liczy się gęstość każdego z nich. Gęstość materii maleje w miarę rozszerzania się Wszechświata, ponieważ zwiększa się objętość przestrzeni. (Tylko niewielka część materii występuje w postaci świecących gwiazd; uważa się, że większość to ciemna materia, która nie oddziałuje w zauważalny sposób ze zwykłą materią lub światłem, ale ma przyciągającą grawitację). Chociaż niewiele wiadomo o ciemnej energii, oczekuje się, że jej gęstość będzie się zmieniać powoli lub wcale w miarę rozszerzania się Wszechświata. Obecnie gęstość ciemnej energii jest większa niż gęstość materii, ale w odległej przeszłości gęstość materii powinna być większa, więc ekspansja powinna wtedy zwalniać.
Kosmolodzy mają inne powody, by oczekiwać, że ekspansja wszechświata nie zawsze przyspieszała. Gdyby tak było, naukowcy nie byliby w stanie wyjaśnić istnienia kosmicznych struktur obserwowanych obecnie we wszechświecie. Zgodnie z teorią kosmologiczną galaktyki, gromady galaktyk i większe struktury powstały w wyniku niewielkich niejednorodności w gęstości materii wczesnego wszechświata, które ujawniają się poprzez zmiany temperatury kosmicznego mikrofalowego tła (CMB). Silniejsza przyciągająca grawitacja nadmiernie zagęszczonych regionów materii zatrzymała ich ekspansję, pozwalając im na formowanie związanych grawitacyjnie obiektów – od galaktyk takich jak nasza własna po wielkie gromady galaktyk. Gdyby jednak ekspansja wszechświata zawsze przyspieszała, rozerwałaby te struktury, zanim zdołałyby się złożyć. Co więcej, gdyby ekspansja przyspieszała, dwa kluczowe aspekty wczesnego wszechświata – wzór zmian CMB i obfitość pierwiastków światła powstałych kilka sekund po wielkim wybuchu – nie zgadzałyby się z obecnymi obserwacjami.
Niemniej jednak ważne jest, aby szukać bezpośrednich dowodów na wcześniejszą, spowalniającą fazę ekspansji. Takie dowody pomogłyby potwierdzić standardowy model kosmologiczny i dałyby naukowcom wskazówkę co do przyczyn leżących u podstaw obecnego okresu kosmicznego przyspieszenia. Ponieważ teleskopy, zbierając światło odległych gwiazd i galaktyk, patrzą w przeszłość, astronomowie mogą badać historię ekspansji Wszechświata, skupiając się na odległych obiektach. Historia ta jest zakodowana w relacji pomiędzy odległościami i prędkościami recesji galaktyk. Jeżeli ekspansja spowalnia, prędkość odległej galaktyki będzie relatywistycznie większa od prędkości przewidywanej przez prawo Hubble’a. Jeżeli ekspansja spowalnia, prędkość odległej galaktyki będzie relatywistycznie większa od prędkości przewidywanej przez prawo Hubble’a. Jeśli ekspansja przyspiesza, prędkość odległej galaktyki spadłaby poniżej przewidywanej wartości. Innymi słowy, galaktyka o danej prędkości recesji będzie odleglejsza od przewidywanej, a więc słabsza, jeśli Wszechświat przyspiesza.
Polowanie na supernowe
Wykorzystanie tego prostego faktu wymaga znalezienia obiektów astronomicznych, które mają znaną jasność wewnętrzną – ilość promieniowania na sekundę wytwarzanego przez obiekt – i które mogą być widoczne w całym Wszechświecie. Do tego zadania dobrze nadaje się szczególna klasa supernowych, znanych jako typ Ia. Te gwiezdne eksplozje są tak jasne, że teleskopy naziemne mogą je dostrzec w połowie widzialnego wszechświata, a Kosmiczny Teleskop Hubble’a może je zobaczyć z jeszcze większej odległości. W ciągu ostatniej dekady naukowcy starannie skalibrowali jasność właściwą supernowych typu Ia, dzięki czemu odległość do jednej z tych eksplozji można wyznaczyć na podstawie jej jasności pozornej.
Astronomowie mogą wyznaczyć prędkość recesji supernowej, mierząc przesunięcie ku czerwieni światła z galaktyki, w której się znajduje. Promieniowanie z oddalających się obiektów jest przesunięte w kierunku dłuższych fal; na przykład, światło emitowane w czasie, gdy Wszechświat był o połowę mniejszy niż obecnie, podwoi swoją długość fali i stanie się bardziej czerwone. Mierząc przesunięcie ku czerwieni i jasność pozorną dużej liczby supernowych znajdujących się w różnych odległościach, naukowcy mogą stworzyć zapis ekspansji wszechświata.
Niestety, supernowe typu Ia są rzadkie, występują w galaktyce takiej jak Droga Mleczna średnio tylko raz na kilka stuleci. Technika stosowana przez łowców supernowych polega na wielokrotnym obserwowaniu skrawka nieba zawierającego tysiące galaktyk, a następnie porównywaniu obrazów. Przelotny punkt światła, który pojawia się na jednym zdjęciu, ale nie na poprzednim, może być supernową. Wyniki z 1998 roku pokazujące dowody kosmicznego przyspieszenia były oparte na obserwacjach dwóch zespołów, które przyglądały się supernowym, które eksplodowały, gdy wszechświat miał około dwie trzecie swoich obecnych rozmiarów, około pięć miliardów lat temu.
Niektórzy naukowcy zastanawiali się jednak, czy zespoły te poprawnie zinterpretowały dane z supernowych. Czy było możliwe, że inny efekt oprócz kosmicznego przyspieszenia mógł spowodować, że supernowe wydają się słabsze niż oczekiwano? Pył wypełniający przestrzeń międzygalaktyczną mógł również sprawić, że supernowe wydawały się ciemniejsze. A może starożytne supernowe były po prostu słabsze, ponieważ skład chemiczny wszechświata był inny niż obecnie, z mniejszą ilością ciężkich pierwiastków produkowanych przez reakcje jądrowe w gwiazdach.
Na szczęście dostępny jest dobry test konkurujących ze sobą hipotez. Jeśli supernowe wydają się słabsze niż oczekiwano z powodu przyczyny astrofizycznej, takiej jak wszechobecny ekran z pyłu, lub dlatego, że supernowe z przeszłości rodziły się ciemniejsze, domniemane efekty przyciemnienia powinny rosnąć wraz z przesunięciem ku czerwieni obiektów. Jeśli jednak przyciemnienie jest wynikiem niedawnego kosmicznego przyspieszenia, które nastąpiło po wcześniejszej erze spowolnienia, supernowe z okresu spowolnienia wydawałyby się relatywnie jaśniejsze. Dlatego obserwacje supernowych, które eksplodowały, gdy Wszechświat miał mniej niż dwie trzecie swoich obecnych rozmiarów, mogłyby dostarczyć dowodów na to, która z hipotez jest poprawna. (Oczywiście możliwe jest, że nieznane zjawisko astrofizyczne może dokładnie odpowiadać efektom zarówno przyspieszenia, jak i spowolnienia, ale naukowcy generalnie odrzucają takie sztucznie dostrojone wyjaśnienia.)
Znalezienie takich starożytnych i odległych supernowych jest jednak trudne. Supernowa typu Ia, która eksplodowała, gdy wszechświat był o połowę mniejszy niż obecnie, jest około jednej dziesięciomiliardowej tak jasna jak Syriusz, najjaśniejsza gwiazda na niebie. Naziemne teleskopy nie są w stanie wiarygodnie wykryć tych obiektów, ale Kosmiczny Teleskop Hubble’a już tak. W 2001 r. jeden z nas (Riess) ogłosił, że teleskop kosmiczny w powtarzających się obserwacjach seryjnie dostrzegł niezwykle odległą supernową typu Ia (nazwaną SN 1997ff). Biorąc pod uwagę przesunięcie ku czerwieni światła pochodzącego z tej gwiezdnej eksplozji – która miała miejsce około 10 miliardów lat temu, kiedy Wszechświat miał jedną trzecią swoich obecnych rozmiarów – obiekt okazał się znacznie jaśniejszy niż byłby, gdyby hipoteza o pyłowym wszechświecie była prawdziwa. Wynik ten był pierwszym bezpośrednim dowodem na istnienie epoki spowalniającej. Obaj zaproponowaliśmy, że obserwacje większej liczby supernowych o dużym przesunięciu ku czerwieni mogą dostarczyć ostatecznych dowodów i określić przejście od spowolnienia do przyspieszenia.
Zaawansowana kamera do badań, nowy instrument obrazowania zainstalowany w teleskopie kosmicznym w 2002 roku, umożliwiła naukowcom przekształcenie Hubble’a w maszynę do polowania na supernowe. Riess kierował pracami mającymi na celu odkrycie potrzebnej próbki bardzo odległych supernowych typu Ia, wykorzystując do tego celu program Great Observatories Origins Deep Survey. Zespół znalazł sześć supernowych, które wybuchły, gdy Wszechświat miał mniej niż połowę swoich obecnych rozmiarów (ponad siedem miliardów lat temu); wraz z SN 1997ff są to najodleglejsze supernowe typu Ia, jakie kiedykolwiek odkryto. Obserwacje potwierdziły istnienie wczesnego okresu spowolnienia i umiejscowiły przejściowy „punkt brzegowy” pomiędzy spowolnieniem a przyspieszeniem na około pięć miliardów lat temu. Odkrycie to jest zgodne z teoretycznymi oczekiwaniami i dlatego jest uspokajające dla kosmologów. Kosmiczne przyspieszenie było niespodzianką i nową zagadką do rozwiązania, ale nie jest aż tak zaskakujące, żebyśmy musieli na nowo przemyśleć wiele z tego, co wydawało nam się, że rozumiemy na temat wszechświata.
Nasze kosmiczne przeznaczenie
THE ANCIENT SUPERNOVAE dostarczyło również nowych wskazówek na temat ciemnej energii, leżącej u podstaw kosmicznego przyspieszenia. Głównym kandydatem do wyjaśnienia efektów ciemnej energii jest energia próżni, która jest matematycznym odpowiednikiem stałej kosmologicznej, wymyślonej przez Einsteina w 1917 roku. Ponieważ Einstein uważał, że musi modelować statyczny wszechświat, wprowadził swój „kosmologiczny czynnik fuzyjny”, aby zrównoważyć przyciągającą grawitację materii. W tym przepisie gęstość stałej była o połowę mniejsza od gęstości materii. Ale aby wytworzyć obserwowane przyspieszenie wszechświata, gęstość stałej musiałaby być dwa razy większa od gęstości materii. Skąd mogłaby pochodzić taka gęstość energii? Zasada nieoznaczoności mechaniki kwantowej wymaga, aby próżnia była wypełniona cząstkami żyjącymi na pożyczonym czasie i energii, wpadającymi i wypadającymi z istnienia. Ale kiedy teoretycy próbują obliczyć gęstość energii związanej z próżnią kwantową, otrzymują wartości, które są o co najmniej 55 rzędów wielkości za duże. Gdyby gęstość energii próżni była naprawdę tak duża, cała materia we wszechświecie natychmiast rozleciałaby się na kawałki, a galaktyki nigdy by się nie uformowały.
Ta rozbieżność została nazwana najgorszym zakłopotaniem w całej fizyce teoretycznej, ale może być w rzeczywistości znakiem wielkiej szansy. Chociaż możliwe jest, że nowe próby oszacowania gęstości energii próżni mogą dać właśnie taką ilość, która wyjaśni kosmiczne przyspieszenie, wielu teoretyków uważa, że poprawne obliczenia, uwzględniające nową zasadę symetrii, doprowadzą do wniosku, że energia związana z próżnią kwantową wynosi zero. (Nawet kwantowa nicość nic nie waży!) Jeśli to prawda, to coś innego musi powodować przyspieszenie ekspansji wszechświata.
Teoretycy zaproponowali wiele pomysłów, począwszy od wpływu dodatkowych, ukrytych wymiarów do energii związanej z nowym polem natury, czasami nazywanym kwintesencją. Ogólnie rzecz biorąc, hipotezy te zakładają gęstość ciemnej energii, która nie jest stała i która zazwyczaj maleje w miarę rozszerzania się Wszechświata. (Jednak pojawiła się również sugestia, że gęstość ciemnej energii w rzeczywistości rośnie wraz z rozszerzaniem się wszechświata). Być może najbardziej radykalny pomysł jest taki, że ciemna energia w ogóle nie istnieje, ale raczej teoria grawitacji Einsteina musi zostać zmodyfikowana.
Ponieważ sposób, w jaki zmienia się gęstość ciemnej energii zależy od modelu teoretycznego, każda teoria przewiduje inny czas dla punktu przejściowego, w którym ekspansja wszechświata przeszła ze spowolnienia do przyspieszenia. Jeśli gęstość ciemnej energii maleje w miarę rozszerzania się wszechświata, to punkt przełączenia następuje wcześniej w czasie, niż miałoby to miejsce w przypadku modelu zakładającego stałą gęstość ciemnej energii. Nawet modele teoretyczne, w których grawitacja jest modyfikowana, prowadzą do zauważalnej sygnatury w czasie przełączenia. Najnowsze wyniki badań nad supernowymi są zgodne z teoriami zakładającymi stałą gęstość ciemnej energii, ale zgadzają się również z większością modeli zakładających zmienną gęstość ciemnej energii. Jedynie teorie zakładające duże wahania gęstości ciemnej energii zostały wykluczone.
Aby zawęzić zakres teoretycznych możliwości, Kosmiczny Teleskop Hubble’a kontynuuje zbieranie danych o supernowych, które mogą pomóc w ustaleniu szczegółów fazy przejściowej. Chociaż teleskop kosmiczny pozostaje jedynym środkiem do zbadania wczesnej historii ekspansji kosmosu, ponad pół tuzina programów naziemnych stara się poprawić precyzję pomiarów niedawnego przyspieszenia kosmicznego na tyle, by ujawnić fizykę ciemnej energii. Najbardziej ambitnym projektem jest Joint Dark Energy Mission (JDEM) zaproponowany przez Departament Energii USA i NASA. JDEM to dwumetrowy, szerokokątny teleskop kosmiczny, którego zadaniem będzie odkrycie i dokładne zmierzenie tysięcy supernowych typu Ia. Łowcy supernowych mają nadzieję, że JDEM zostanie uruchomiony na początku następnej dekady; do tego czasu będą musieli polegać na teleskopie Hubble’a, aby wykryć najbardziej odległe eksplozje gwiezdne.
Rozwiązanie zagadki kosmicznego przyspieszenia ujawni przeznaczenie naszego wszechświata. Jeśli gęstość ciemnej energii jest stała lub rośnie z czasem, za 100 miliardów lat lub tak wszystkie galaktyki z wyjątkiem kilkuset będą zbyt przesunięte ku czerwieni, aby można je było zobaczyć. Jeśli jednak gęstość ciemnej energii zmniejszy się i materia ponownie stanie się dominująca, nasz kosmiczny horyzont powiększy się, odsłaniając większą część wszechświata. Możliwe są jeszcze bardziej ekstremalne (i śmiertelne) przyszłości. Jeśli gęstość ciemnej energii będzie rosła, a nie malała, wszechświat w końcu ulegnie „hiper przyspieszeniu”, które rozerwie na strzępy galaktyki, układy słoneczne, planety i jądra atomowe, w tej kolejności. Albo wszechświat może nawet ulec rekolapsji, jeśli gęstość ciemnej energii spadnie do wartości ujemnej. Jedynym sposobem na przewidzenie naszej kosmicznej przyszłości jest poznanie natury ciemnej energii.