złożona struktura, którą widzimy dzisiaj, powstała z mniejszego, gorętszego, gęstszego, bardziej jednolitego stanu w przeszłości. Musi istnieć jakaś nowa forma energii napędzająca obecną fazę przyspieszonej ekspansji, poza znaną materią i promieniowaniem. C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

Materia i energia mówią czasoprzestrzeni, jak się zakrzywić; zakrzywiona czasoprzestrzeń mówi materii i energii, jak się poruszać. Jest to kardynalna zasada ogólnej teorii względności, która odnosi się do wszystkiego we Wszechświecie, włączając w to cały Wszechświat. Pod koniec lat 90. zebraliśmy wystarczająco dużo danych z odległych galaktyk we Wszechświecie, aby stwierdzić, że nie tylko oddalają się one od nas, ale ich recesja przyspiesza. Tkanka kosmiczna nie tylko się rozszerzała, ale ekspansja przyspieszała.

odległość (oś x) jest zgodna z Wszechświatem, który rozszerzał się szybciej w przeszłości, ale nadal rozszerza się dzisiaj. Jest to współczesna wersja oryginalnej pracy Hubble’a, rozciągająca się tysiące razy dalej niż ona. Zwróć uwagę na fakt, że punkty nie tworzą linii prostej, co wskazuje na zmianę tempa ekspansji w czasie. Ned Wright, na podstawie najnowszych danych z Betoule et al. (2014)

Jedynym wyjaśnieniem było to, że we Wszechświecie musi być więcej materii i energii niż to, co wcześniej stwierdziliśmy. W rozszerzającym się Wszechświecie – takim jak ten, w którym żyjemy – to nie zwykła krzywizna jest określana przez materię i energię, ale to, jak tempo ekspansji zmienia się w czasie. Składniki Wszechświata, o których wiedzieliśmy jeszcze 20 lat temu, to normalna materia, ciemna materia, neutrina i promieniowanie. Z tymi składnikami Wszechświat może się rozszerzać bez problemu, ale odległe galaktyki powinny jedynie zwalniać.

Obserwacja przyspieszenia oznaczała, że było tam coś jeszcze, i że nie było to po prostu obecne; było dominujące.

i Słońce w naszym Układzie Słonecznym, muszą być brane pod uwagę przy wszelkich obserwacjach, które statek kosmiczny lub inne obserwatorium wykona. Efekty ogólnej teorii względności, nawet te subtelne, nie mogą być ignorowane. NASA/JPL-Caltech, dla misji Cassini

Fizycznie, co dzieje się w Ogólnej teorii względności jest to, że tkanina przestrzeni zakrzywia się pozytywnie lub negatywnie w odpowiedzi na materię, która gromadzi się w niej. Planeta taka jak Ziemia lub gwiazda taka jak nasze Słońce spowoduje, że tkanka przestrzeni będzie się odkształcać, podczas gdy gęstszy, bardziej masywny obiekt spowoduje, że przestrzeń będzie się zakrzywiać bardziej gwałtownie. Jeśli wszystko, co masz w swoim Wszechświecie to kilka grudek materii, ten opis wystarczy.

Z drugiej strony, jeśli we Wszechświecie jest wiele mas, rozłożonych mniej więcej równomiernie w całej jego przestrzeni, cała czasoprzestrzeń odczuwa globalny efekt grawitacyjny. Gdyby Wszechświat się nie rozszerzał, grawitacja spowodowałaby, że wszystko zapadłoby się w jeden punkt. Fakt, że Wszechświat tego nie zrobił, pozwala nam natychmiast wyciągnąć wniosek, że coś zapobiegło temu zapadnięciu. Albo coś przeciwdziała grawitacji, albo Wszechświat się rozszerza.

wspiera obraz rozszerzającego się Wszechświata i Wielkiego Wybuchu. Niewielka liczba parametrów wejściowych i duża liczba sukcesów obserwacyjnych oraz przewidywań, które zostały następnie zweryfikowane, należą do cech charakterystycznych udanej teorii naukowej. Równanie Friedmanna opisuje to wszystko. NASA / GSFC

To właśnie stąd wzięła się cała idea Wielkiego Wybuchu. Jeśli widzimy materię w mniej więcej równych ilościach wszędzie, we wszystkich kierunkach i w odległościach bliskich, pośrednich i dalekich, to wiemy, że musi istnieć niewiarygodnie duża siła grawitacyjna, która próbuje ściągnąć je wszystkie z powrotem do siebie. Ponieważ Wszechświat jeszcze się nie zapadł (i nie jest w trakcie zapadania), pozostają tylko dwie możliwości: grawitacja się myli, albo Wszechświat się rozszerza.

Zważywszy, że Ogólna Teoria Względności przeszła każdy test, jaki jej rzuciliśmy, trudno jest twierdzić, że się myli. Zwłaszcza, że przy Wszechświecie pełnym materii i promieniowania, wszystko czego potrzebujesz to początkowa ekspansja, aby mieć Wszechświat, który dzisiaj:

• rozszerza się,
• chłodzi,
• zmniejsza gęstość,
• pełen przesuniętego ku czerwieni światła,
• i miał gorącą, gęstą przeszłość.

Wszechświat urodzony jako gorący, gęsty i rozszerzający się, ale który był wypełniony materią i energią, wyglądałby bardzo podobnie jak nasz Wszechświat pojawiający się dzisiaj.

ilustracje) wszystkie odpowiadają Wszechświatowi, w którym materia i energia walczy z początkowym tempem ekspansji. W naszym obserwowanym Wszechświecie kosmiczne przyspieszenie jest powodowane przez pewien rodzaj ciemnej energii, która do tej pory jest niewyjaśniona. Wszystkie te Wszechświaty są rządzone przez równania Friedmanna. E. Siegel / Beyond the Galaxy

Ekspansja zaczyna się gwałtownie, a grawitacja działa, by ściągnąć wszystko z powrotem do siebie. Skłania to do myślenia, że istnieją trzy możliwości ewolucji Wszechświata w czasie:

1. Grawitacja wygrywa: Wszechświat rozszerza się gwałtownie na początku, ale jest wystarczająco dużo grawitacji, aby ściągnąć rzeczy z powrotem do siebie, w końcu. Ekspansja osiąga maksimum, zatrzymuje się i odwraca, aby doprowadzić do ponownego kolapsu.
2. Grawitacja i ekspansja remisują: Początkowa ekspansja i grawitacja przeciwdziałają sobie nawzajem dokładnie. Z jednym protonem więcej we Wszechświecie, nastąpiłoby ponowne zapadnięcie, ale tego protonu tam nie ma. Zamiast tego tempo ekspansji asymptotyzuje do zera, a odległe galaktyki po prostu cofają się coraz wolniej.
3. Ekspansja wygrywa: Gwałtownej ekspansji przeciwdziała grawitacja, ale nie w wystarczającym stopniu. Z czasem galaktyki nadal oddalają się od siebie i choć grawitacja spowalnia ekspansję, nigdy się ona nie zatrzymuje.

Ale to, co faktycznie obserwujemy, jest czwarte. Widzimy, że Wszechświat wydawał się być na tej „krytycznej” ścieżce przez pierwsze kilka miliardów lat, a potem nagle odległe galaktyki zaczęły oddalać się od siebie szybciej. Teoretycznie, istnieje przekonujący powód, dlaczego tak mogło być.

Hiperściana Towarzystwa w 2017 roku, wraz z pierwszym równaniem Friedmanna po prawej stronie. Perimeter Institute / Harley Thronson

Istnieje bardzo proste (cóż, dla Relativity) równanie, które rządzi tym, jak Wszechświat się rozszerza: pierwsze równanie Friedmanna. Chociaż może ono wyglądać na skomplikowane, terminy w równaniu mają znaczenie w świecie rzeczywistym, które łatwo zrozumieć.

pisane dzisiaj (w nowoczesnej notacji), gdzie lewa strona wyszczególnia współczynnik rozszerzalności Hubble’a i ewolucję czasoprzestrzeni, a prawa strona zawiera wszystkie różne formy materii i energii, wraz z krzywizną przestrzenną. LaTeX / public domain

Po lewej stronie mamy odpowiednik tempa ekspansji (podniesionego do kwadratu), czyli to, co potocznie nazywa się stałą Hubble’a. (Nie jest to prawdziwa stała, ponieważ może się zmieniać w miarę rozszerzania się lub kurczenia Wszechświata w czasie). Mówi ona, jak tkanka Wszechświata rozszerza się lub kurczy w funkcji czasu.

Po prawej stronie jest dosłownie wszystko inne. Jest tam cała materia, promieniowanie i wszelkie inne formy energii, które składają się na Wszechświat. Jest krzywizna właściwa samej przestrzeni, zależna od tego, czy Wszechświat jest zamknięty (dodatnio zakrzywiony), otwarty (ujemnie zakrzywiony), czy płaski (nie zakrzywiony). I jest jeszcze termin „Λ”: stała kosmologiczna, która może być albo formą energii, albo może być nieodłączną własnością przestrzeni.

stała kosmologiczna (na dole) wszystkie ewoluują z czasem w rozszerzającym się Wszechświecie E. Siegel / Beyond The Galaxy

Te dwie strony muszą być równe. Myśleliśmy, że ekspansja Wszechświata spowolni, ponieważ w miarę rozszerzania się Wszechświata gęstość energii (po prawej stronie) spada, a zatem tempo rozszerzania się przestrzeni musi spadać. Ale jeśli mamy stałą kosmologiczną lub jakąś inną formę ciemnej energii, gęstość energii może wcale nie spadać. Może ona pozostać stała lub nawet wzrosnąć, a to oznacza, że tempo ekspansji również pozostanie stałe lub wzrośnie.

W każdym razie oznaczałoby to, że odległa galaktyka wydaje się przyspieszać, gdy się od nas oddala. Ciemna energia nie sprawia, że Wszechświat przyspiesza z powodu wypychającego na zewnątrz ciśnienia lub siły antygrawitacyjnej; sprawia, że Wszechświat przyspiesza z powodu tego, jak zmienia się jego gęstość energii (lub, dokładniej, nie zmienia się), gdy Wszechświat kontynuuje ekspansję.

nasz rzeczywisty, przyspieszający los pokazany po prawej stronie. Po upływie odpowiedniego czasu, przyspieszenie pozostawi każdą związaną galaktyczną lub supergalaktyczną strukturę całkowicie odizolowaną we Wszechświecie, ponieważ wszystkie inne struktury nieodwołalnie przyspieszają. NASA & ESA

As the Universe expansions, more space gets created. Ponieważ ciemna energia jest formą energii, która jest nierozerwalnie związana z przestrzenią, to gdy tworzymy więcej przestrzeni, gęstość energii nie spada. Jest to zasadniczo różne od normalnej materii, ciemnej materii, neutrin, promieniowania i wszystkiego innego, co znamy. I dlatego wpływa na tempo ekspansji w inny sposób niż wszystkie te inne rodzaje materii i energii.

ewoluuje/rozszerza się w równych przyrostach czasu, jeśli twój Wszechświat jest zdominowany przez materię, promieniowanie lub energię właściwą dla samej przestrzeni, przy czym ta ostatnia odpowiada naszemu Wszechświatowi zdominowanemu przez ciemną energię. E.Siegel

W skrócie, nowa forma energii może wpłynąć na tempo ekspansji Wszechświata w nowy sposób. Wszystko zależy od tego, jak zmienia się gęstość energii w czasie. Podczas gdy materia i promieniowanie mają coraz mniejszą gęstość w miarę rozszerzania się Wszechświata, przestrzeń jest nadal przestrzenią i ma wszędzie taką samą gęstość energii. Jedyne, co się zmieniło, to nasze automatyczne założenie, które przyjęliśmy: że energia powinna wynosić zero. Cóż, przyspieszający Wszechświat mówi nam, że nie jest ona równa zeru. Wielkim wyzwaniem stojącym obecnie przed astrofizykami jest odkrycie, dlaczego ma ona taką wartość, jaką ma. Na tym froncie ciemna energia jest wciąż największą tajemnicą we Wszechświecie.

Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub niektóre z moich innych prac tutaj.