Složitá struktura, kterou vidíme dnes, vznikla v minulosti z menšího, horkého, hustšího a jednotnějšího stavu. Musí existovat nějaká nová forma energie, která pohání současnou fázi zrychlené expanze, mimo známou hmotu a záření. C. Faucher-Giguère, A. Lidz a L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

Hmota a energie říkají prostoročasu, jak se má zakřivit; zakřivený prostoročas říká hmotě a energii, jak se mají pohybovat. To je základní pravidlo obecné relativity, které platí pro vše ve vesmíru, včetně celého vesmíru samotného. Koncem devadesátých let jsme shromáždili dostatek dat ze vzdálených galaxií ve vesmíru, abychom mohli dojít k závěru, že se od nás nejen vzdalují, ale jejich recese se zrychluje. Tkanina vesmíru se nejen rozpínala, ale rozpínání se zrychlovalo.

vzdálenost (osa x) odpovídá vesmíru, který se v minulosti rozpínal rychleji, ale rozpíná se i dnes. Jedná se o moderní verzi, která se rozšiřuje tisíckrát dále než původní Hubbleova práce. Všimněte si, že body netvoří přímku, což naznačuje změnu rychlosti rozpínání v čase. Ned Wright, na základě nejnovějších dat od Betoule et al. (2014)

Jediným vysvětlením bylo, že ve vesmíru musí být z hlediska hmoty a energie více, než jsme doposud usuzovali. V rozpínajícím se vesmíru – jako je ten, ve kterém žijeme – není zakřivení určeno pouze hmotou-a-energií, ale tím, jak se mění rychlost rozpínání v čase. Složky vesmíru, které jsme znali před 20 lety, byly normální hmota, temná hmota, neutrina a záření. S těmi se vesmír může rozpínat v pohodě, ale vzdálené galaxie by měly pouze zpomalovat.

Pozorování zrychlení znamenalo, že je tam ještě něco dalšího a že to není jen přítomno; je to dominantní.

a Slunce v naší Sluneční soustavě, musí být brány v úvahu při jakýchkoli pozorováních, která by kosmická loď nebo jiná observatoř prováděla. Efekty obecné relativity, a to i ty jemné, nelze ignorovat. NASA/JPL-Caltech, pro misi Cassini

Fyzikálně se v obecné teorii relativity děje to, že samotná struktura prostoru se zakřivuje pozitivně nebo negativně v reakci na hmotu, která se v ní shlukuje a shlukuje. Planeta, jako je Země, nebo hvězda, jako je naše Slunce, způsobí zakřivení látky prostoru, zatímco hustší a hmotnější objekt způsobí výraznější zakřivení prostoru. Pokud máte ve vesmíru jen několik shluků hmoty, bude vám tento popis stačit.

Na druhou stranu, pokud je ve vesmíru mnoho hmot, zhruba rovnoměrně rozložených po celém vesmíru, pociťuje globální gravitační účinek celý časoprostor. Kdyby se vesmír nerozpínal, gravitace by způsobila, že by se vše zhroutilo do jediného bodu. Skutečnost, že se to ve vesmíru nestalo, nám umožňuje okamžitě vyvodit závěr, že něco tomuto zhroucení zabránilo. Buď něco působí proti gravitaci, nebo se vesmír rozpíná.

podporuje obraz rozpínajícího se vesmíru a velkého třesku. Malý počet vstupních parametrů a velký počet pozorovacích úspěchů a předpovědí, které byly následně ověřeny, patří mezi charakteristické znaky úspěšné vědecké teorie. Friedmannova rovnice to vše popisuje. NASA / GSFC

Tady se poprvé objevila celá myšlenka velkého třesku. Pokud vidíme hmotu v přibližně stejném množství všude, ve všech směrech a v blízkých, středních i vzdálených vzdálenostech, víme, že musí existovat neuvěřitelně velká gravitační síla, která se je všechny snaží přitáhnout k sobě. Vzhledem k tomu, že se vesmír ještě nezhroutil (a ani se nezhroutí), zbývají jen dvě možnosti: buď se gravitace mýlí, nebo se vesmír rozpíná.

Vzhledem k tomu, že obecná relativita prošla všemi testy, které jsme jí předložili, je těžké tvrdit, že se mýlí. Zejména proto, že u vesmíru plného hmoty a záření stačí počáteční rozpínání k tomu, abychom měli vesmír, který se dnes:

• rozpíná,
• chladne,
• zmenšuje hustotu,
• plný červeně posunutého světla,
• a měl horkou, hustou minulost.

Vesmír, který se zrodil horký, hustý a rozpínající se, ale který byl naplněn hmotou a energií, by vypadal velmi podobně, jak se dnes jeví náš vesmír.

ilustrace) všechny odpovídají vesmíru, kde hmota a energie bojují proti počáteční rychlosti rozpínání. V námi pozorovaném vesmíru je kosmické zrychlení způsobeno určitým typem temné energie, která je dosud nevysvětlena. Všechny tyto vesmíry se řídí Friedmannovými rovnicemi. E. Siegel / Beyond the Galaxy

Rozpínání začíná rychle a gravitace pracuje na tom, aby vše stáhla zpět k sobě. To vás nutí přemýšlet o třech možnostech, jak se bude vesmír v průběhu času vyvíjet:

1. Gravitace vítězí: Vesmír se zpočátku rozpíná rychle, ale nakonec existuje dostatek gravitace, aby věci stáhla zpět k sobě. Rozpínání dosáhne maxima, zastaví se a dojde k obratu, který povede k opětovnému kolapsu.
2. Gravitace a rozpínání remizují: Původní rozpínání a gravitace jdou přesně proti sobě. Kdyby bylo ve vesmíru o jeden proton více, došlo by k rekolapsům, ale ten proton tam není. Místo toho se rychlost rozpínání asymptotuje k nule a vzdálené galaxie se prostě vzdalují stále pomaleji.
3. Rozpínání vítězí: Proti rychlému rozpínání působí gravitace, ale ne dostatečně. V průběhu času se galaxie od sebe stále vzdalují, a přestože gravitace rozpínání zpomaluje, nikdy se nezastaví.

Ve skutečnosti však pozorujeme čtvrtou. Vidíme, že prvních několik miliard let se vesmír zdál být na této „kritické“ dráze, a pak se najednou vzdálené galaxie začaly od sebe vzdalovat rychleji. Teoreticky existuje pádný důvod, proč by tomu tak mohlo být.

Hyperstěna společnosti v roce 2017 spolu s první Friedmannovou rovnicí vpravo. Perimeter Institute / Harley Thronson

Existuje velmi jednoduchá (no, pro relativitu) rovnice, která řídí, jak se vesmír rozpíná: první Friedmannova rovnice. Ačkoli může vypadat složitě, pojmy v rovnici mají reálný význam, který je snadno pochopitelný.

zapsáno dnes (v moderním zápisu), kde levá strana podrobně popisuje rychlost Hubblovy expanze a vývoj prostoročasu a pravá strana zahrnuje všechny různé formy hmoty a energie spolu s prostorovým zakřivením. LaTeX / public domain

Na levé straně máte ekvivalent rychlosti rozpínání (na druhou), neboli to, co se hovorově nazývá Hubbleova konstanta. (Není to skutečná konstanta, protože se může měnit s tím, jak se vesmír v průběhu času rozpíná nebo smršťuje.) Říká, jak se struktura vesmíru rozpíná nebo smršťuje v závislosti na čase.

Na pravé straně je doslova všechno ostatní. Je tam veškerá hmota, záření a všechny ostatní formy energie, které tvoří vesmír. Je zde zakřivení vlastní samotnému prostoru, které závisí na tom, zda je vesmír uzavřený (pozitivně zakřivený), otevřený (negativně zakřivený) nebo plochý (nezakřivený). A je zde také člen „Λ“: kosmologická konstanta, která může být buď formou energie, nebo může být vnitřní vlastností prostoru.

kosmologická konstanta (dole) se s časem vyvíjí v rozpínajícím se vesmíru E. Siegel / Beyond The Galaxy

Tyto dvě strany se musí rovnat. Domnívali jsme se, že rozpínání vesmíru se zpomaluje, protože s rozpínáním vesmíru klesá hustota energie (na pravé straně), a proto musí klesat i rychlost rozpínání prostoru. Pokud však máme kosmologickou konstantu nebo jinou formu temné energie, hustota energie nemusí klesat vůbec. Může zůstat konstantní nebo se dokonce zvýšit, a to znamená, že rychlost rozpínání zůstane konstantní nebo se také zvýší.

Ať tak či onak, znamenalo by to, že vzdálená galaxie by se při svém vzdalování od nás zdánlivě zrychlovala. Temná energie nezpůsobuje zrychlování vesmíru v důsledku tlaku působícího směrem ven nebo antigravitační síly; způsobuje zrychlování vesmíru v důsledku toho, jak se mění (přesněji řečeno nemění) jeho hustota energie, když se vesmír stále rozpíná.

náš skutečný, zrychlující se osud zobrazený vpravo. Po uplynutí dostatečně dlouhé doby zrychlování zanechá každou vázanou galaktickou nebo nadgalaktickou strukturu ve vesmíru zcela izolovanou, protože všechny ostatní struktury se neodvolatelně zrychlují pryč. NASA & ESA

Jak se vesmír rozpíná, vzniká stále více prostoru. Protože temná energie je forma energie, která je vlastní prostoru, pak při vytváření většího prostoru hustota energie neklesá. Tím se zásadně liší od normální hmoty, temné hmoty, neutrin, záření a všeho, co známe. A proto ovlivňuje rychlost rozpínání jiným způsobem než všechny tyto ostatní typy hmoty a energie.

se vyvíjí/rozšiřuje ve stejných časových krocích, pokud ve vašem vesmíru převládá hmota, záření nebo energie vlastní samotnému prostoru, přičemž posledně jmenovanému odpovídá náš vesmír s převahou temné energie. E. Siegel

Zjednodušeně řečeno, nová forma energie může ovlivnit rychlost rozpínání vesmíru novým způsobem. Vše závisí na tom, jak se hustota energie mění v čase. Zatímco hustota hmoty a záření s rozpínáním vesmíru klesá, prostor je stále prostorem a má všude stále stejnou hustotu energie. Jediné, co se změnilo, je náš automatický předpoklad, který jsme učinili: že energie by měla být nulová. No, zrychlující se vesmír nám říká, že nulová není. Velkou výzvou, před kterou nyní astrofyzici stojí, je zjistit, proč má takovou hodnotu, jakou má. V tomto ohledu je temná energie stále největší záhadou ve vesmíru.

Sledujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo na některé mé další práce zde.