A komplex szerkezet, amit ma látunk, a múltban egy kisebb, forróbb, sűrűbb, egyenletesebb állapotból keletkezett. Valamilyen új energiaformának kell lennie, ami a gyorsuló tágulás jelenlegi fázisát hajtja, túl az ismert anyagon és sugárzáson. C. Faucher-Giguère, A. Lidz és L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

Az anyag és az energia mondja meg a téridőnek, hogyan görbüljön; a görbült téridő mondja meg az anyagnak és az energiának, hogyan mozogjon. Ez az általános relativitáselmélet főszabálya, és mindenre vonatkozik az Univerzumban, beleértve magát az egész Univerzumot is. Az 1990-es évek végén elegendő adatot gyűjtöttünk az Univerzum távoli galaxisairól ahhoz, hogy megállapítsuk, hogy azok nem csak távolodnak tőlünk, hanem a visszahúzódásuk is felgyorsul. A tér szövete nem csak tágult, hanem a tágulás felgyorsult.

A távolság (x-tengely) összhangban van egy olyan Univerzummal, amely a múltban gyorsabban tágult, de ma is tágul. Ez a Hubble eredeti munkájának modern változata, amely több ezerszer messzebbre nyúlik, mint Hubble eredeti munkája. Figyeljük meg, hogy a pontok nem alkotnak egyenes vonalat, ami a tágulási sebesség időbeli változását jelzi. Ned Wright, Betoule et al. legújabb adatai alapján (2014)

Az egyetlen magyarázat az volt, hogy az anyag és energia szempontjából többnek kell lennie az Univerzumnak, mint amire korábban következtettünk. Egy táguló Univerzumban – mint amilyenben mi élünk – nem egyszerűen a görbületet határozza meg az anyag és az energia, hanem azt, hogy a tágulás üteme hogyan változik az idő múlásával. Az Univerzum összetevői, amelyekről 20 évvel ezelőttig tudtunk, a normál anyag, a sötét anyag, a neutrínók és a sugárzás voltak. Az Univerzum ezekkel együtt is jól tágulhat, de a távoli galaxisoknak csak lassulniuk kellene.

A gyorsulás megfigyelése azt jelentette, hogy van ott valami más is, és hogy az nem csak jelen van, hanem domináns.

és a Naprendszerünkben lévő Napot, figyelembe kell venni minden olyan megfigyelésnél, amelyet egy űrhajó vagy más megfigyelőberendezés végez. Az általános relativitáselmélet hatásait, még a finomabbakat sem lehet figyelmen kívül hagyni. NASA/JPL-Caltech, a Cassini-misszióhoz

Fizikailag az általános relativitáselmélet szerint az történik, hogy maga a tér szövete pozitív vagy negatív irányban görbül a benne halmozódó és csoportosuló anyag hatására. Egy bolygó, mint a Föld vagy egy csillag, mint a mi Napunk, a tér szövetének görbülését okozza, míg egy sűrűbb, nagyobb tömegű objektum erősebben görbíti a teret. Ha az Univerzumban csak néhány anyagcsomó van, akkor ez a leírás elegendő.

Másrészt, ha az Univerzumban sok tömeg van, nagyjából egyenletesen eloszolva az egész Univerzumban, akkor az egész téridő globális gravitációs hatást érez. Ha az Univerzum nem tágulna, a gravitáció hatására minden egyetlen pontba omlana össze. Az a tény, hogy az Univerzum ezt nem tette meg, azonnal arra enged következtetni, hogy valami megakadályozta ezt az összeomlást. Vagy valami ellensúlyozza a gravitációt, vagy az Univerzum tágul.

alátámasztja a táguló Univerzum és az ősrobbanás képét. A kisszámú bemeneti paraméter és a nagyszámú megfigyelési siker és az utólag igazolt előrejelzések a sikeres tudományos elmélet egyik jellemzője. A Friedmann-egyenlet mindezt leírja. NASA / GSFC

Az ősrobbanás egész ötlete innen származik. Ha mindenhol, minden irányban, minden közeli, köztes és távoli távolságban nagyjából azonos mennyiségű anyagot látunk, akkor tudjuk, hogy hihetetlenül nagy gravitációs erőnek kell lennie, amely megpróbálja mindezt visszahúzni. Mivel az Univerzum még nem omlott össze újra (és nem is van folyamatban), csak két lehetőség marad: a gravitáció téved, vagy az Univerzum tágul.

Mivel az általános relativitáselmélet minden eddigi tesztet kiállt, nehéz azt állítani, hogy téved. Különösen azért, mert egy anyaggal és sugárzással teli Univerzum esetében csak egy kezdeti tágulás kell ahhoz, hogy az Univerzum ma:

• táguljon,
• hűljön,
• csökkenjen a sűrűsége,
• teli legyen vöröseltolódott fénnyel,
• és forró, sűrű múltja legyen.

A forrón, sűrűn és tágulva született, de anyaggal és energiával teli Univerzum nagyon hasonlóan nézne ki, mint ahogy a mi Univerzumunk ma megjelenik.

illusztrációk) mind egy olyan Univerzumnak felelnek meg, ahol az anyag és az energia a kezdeti tágulási sebesség ellen küzd. A mi megfigyelt Univerzumunkban a kozmikus gyorsulást valamilyen sötét energia okozza, amely eddig megmagyarázhatatlan. Mindezeket az Univerzumokat a Friedmann-egyenletek szabályozzák. E. Siegel / Beyond the Galaxy

A tágulás gyorsan indul, és a gravitáció azon dolgozik, hogy visszahúzza a dolgokat. Ez arra enged következtetni, hogy három lehetőség van arra, hogyan fejlődik az Univerzum az idők folyamán:

1. A gravitáció győz: Az Univerzum kezdetben gyorsan tágul, de van elég gravitáció ahhoz, hogy végül visszahúzza a dolgokat. A tágulás elér egy maximumot, megáll, és megfordul, hogy újra összeomláshoz vezessen.
2. A gravitáció és a tágulás döntetlen: A kezdeti tágulás és a gravitáció pontosan ellensúlyozza egymást. Ha még egy proton lenne az Univerzumban, akkor újra összeomlana, de az a proton nincs ott. Ehelyett a tágulás sebessége aszimptikusan nullára csökken, és a távoli galaxisok egyszerűen egyre lassabban távolodnak.
3. A tágulás győz: A gyors tágulást a gravitáció ellensúlyozza, de nem eléggé. Idővel a galaxisok tovább távolodnak egymástól, és bár a gravitáció lassítja a tágulást, az sosem áll meg.

De amit valójában megfigyelünk, az egy negyedik. Azt látjuk, hogy az Univerzum az első néhány milliárd évben látszólag ezen a “kritikus” úton haladt, majd hirtelen a távoli galaxisok elkezdtek gyorsabban távolodni egymástól. Elméletileg meggyőző oka van annak, hogy ez miért lehetett.

A Társaság hiperfalánál 2017-ben, a jobb oldali első Friedmann-egyenlettel együtt. Perimeter Institute / Harley Thronson

Van egy nagyon egyszerű (nos, a relativitáselmélet számára) egyenlet, amely az Univerzum tágulását szabályozza: az első Friedmann-egyenlet. Bár bonyolultnak tűnhet, az egyenletben szereplő kifejezéseknek a valóságban könnyen érthető jelentésük van.

ma (modern jelöléssel) írva, ahol a bal oldal a Hubble-tágulási sebességet és a téridő alakulását részletezi, a jobb oldal pedig az anyag és az energia összes különböző formáját tartalmazza, a térgörbülettel együtt. LaTeX / public domain

A baloldalon a tágulási sebesség (négyzete), vagy amit a köznyelvben Hubble-állandónak neveznek. (Ez nem igazán állandó, mivel változhat, ahogy az Univerzum tágul vagy összehúzódik az idő múlásával). Megmutatja, hogyan tágul vagy húzódik össze az Univerzum szövete az idő függvényében.

A jobb oldalon szó szerint minden más van. Ott van az összes anyag, sugárzás és minden más energiaforma, ami az Univerzumot alkotja. Ott van magának a térnek a görbülete, attól függően, hogy az Univerzum zárt (pozitívan görbült), nyitott (negatívan görbült) vagy lapos (görbület nélküli). És ott van még a “Λ” kifejezés: a kozmológiai állandó, amely lehet energiaforma vagy a tér saját tulajdonsága.

cosmological constant (bottom) all evolve with time in an expanding Universe E. Siegel / Beyond The Galaxy

This two sides must be equal. Azt gondoltuk, hogy az Univerzum tágulása lelassul, mert az Univerzum tágulásával az energiasűrűség (a jobb oldalon) csökken, és ezért a tér tágulási sebességének csökkennie kell. De ha van egy kozmológiai állandó vagy a sötét energia valamilyen más formája, akkor az energiasűrűség egyáltalán nem csökkenhet. Állandó maradhat, vagy akár növekedhet is, és ez azt jelenti, hogy a tágulási sebesség is állandó marad vagy növekszik.

Akárhogy is, ez azt jelentené, hogy egy távoli galaxis látszólag felgyorsul, ahogy távolodik tőlünk. A sötét energia nem egy kifelé irányuló nyomás vagy egy antigravitációs erő miatt gyorsítja fel az Univerzumot; az Univerzumot azért gyorsítja fel, mert az energiasűrűsége változik (pontosabban nem változik), ahogy az Univerzum tovább tágul.

a mi tényleges, gyorsuló sorsunk jobbra látható. Miután elég idő telik el, a gyorsulás minden kötött galaktikus vagy szupergalaktikus struktúrát teljesen elszigetel az Univerzumban, ahogy az összes többi struktúra visszavonhatatlanul elgyorsul. NASA & ESA

Amint az Univerzum tágul, egyre több tér jön létre. Mivel a sötét energia az energia egy olyan formája, amely a tér sajátja, ezért ahogy egyre több teret hozunk létre, az energiasűrűség nem csökken. Ez alapvetően különbözik a normál anyagtól, a sötét anyagtól, a neutrínóktól, a sugárzástól és minden mástól, amit ismerünk. És ezért másképp befolyásolja a tágulási sebességet, mint az anyag és energia ezen egyéb típusai.

egyenlő időbeli lépésekben fejlődik/tágul, ha az Univerzumotokat az anyag, a sugárzás vagy maga a térben rejlő energia uralja, és ez utóbbi megfelel a mi sötét energia uralta Univerzumunknak. E. Siegel

Egyszóval, egy új energiaforma új módon befolyásolhatja az Univerzum tágulási sebességét. Minden attól függ, hogyan változik az energiasűrűség az idő múlásával. Míg az anyag és a sugárzás az Univerzum tágulásával egyre kisebb sűrűségűvé válik, addig a tér még mindig tér, és továbbra is mindenhol ugyanolyan energiasűrűségű. Az egyetlen dolog, ami megváltozott, az az automatikus feltételezésünk, amit tettünk: hogy az energiának nullának kellene lennie. Nos, a gyorsuló Univerzum azt mondja nekünk, hogy nem nulla. Az asztrofizikusok előtt álló nagy kihívás most az, hogy rájöjjenek, miért van olyan értéke, amilyen. Ezen a téren a sötét energia még mindig a legnagyobb rejtély az Univerzumban.

Kapja meg a Forbes legjobb híreit a postaládájába a világ minden tájáról érkező szakértők legfrissebb meglátásaival.

Kövessen a Twitteren. Nézze meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.

Loading …