Dlaczego wszechświat rozszerza się w przyspieszającym tempie, rozprzestrzeniając swoją zawartość na coraz większe wymiary przestrzeni? Oryginalne rozwiązanie tej zagadki, z pewnością najbardziej fascynujące pytanie we współczesnej kosmologii, zostało przedstawione przez czterech fizyków teoretycznych, Edwarda W. Kolba z amerykańskiego Departamentu Energii Fermi National Accelerator Laboratory, Chicago (USA): Sabino Matarrese z University of Padwa; Alessio Notari z University of Montreal (Kanada); i Antonio Riotto z INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) z Padwy (Włochy). Ich badanie zostało wczoraj przesłane do czasopisma Physical Review Letters.
W ciągu ostatnich stu lat ekspansja wszechświata była przedmiotem ożywionej dyskusji, angażującej najbardziej błyskotliwe umysły stulecia. Podobnie jak jego rówieśnicy, Albert Einstein początkowo myślał, że wszechświat jest statyczny: że się nie rozszerza ani nie kurczy. Kiedy jego własna teoria ogólnej teorii względności wyraźnie pokazała, że wszechświat powinien się rozszerzać lub kurczyć, Einstein postanowił wprowadzić nowy składnik do swojej teorii. Jego „stała kosmologiczna” reprezentowała gęstość masy pustej przestrzeni, która napędzała wszechświat do ekspansji w coraz większym tempie.
Kiedy w 1929 roku Edwin Hubble udowodnił, że wszechświat się rozszerza, Einstein odrzucił swoją kosmologiczną stałą, nazywając ją „największą pomyłką mojego życia”. Następnie, prawie sto lat później, fizycy wskrzesili stałą kosmologiczną w wariancie zwanym ciemną energią. W 1998 r. Obserwacje bardzo odległych supernowych wykazały, że wszechświat rozszerza się w przyspieszającym tempie. Ta przyspieszająca ekspansja wydawała się możliwa do wyjaśnienia jedynie dzięki obecności nowego komponentu wszechświata, „ciemnej energii”, reprezentującej około 70 procent całkowitej masy wszechświata. Z pozostałych około 25 procent wydaje się być w postaci innego tajemniczego składnika, ciemnej materii; podczas gdy tylko około 5 procent zawiera zwykłą materię, kwarki, protony, neutrony i elektrony, z których zbudowane są my i galaktyki.
„Hipoteza ciemnej energii jest niezwykle fascynująca”, wyjaśnia Antonio Riotto z Padwy, „ale z drugiej strony stanowi poważny problem. Żaden model teoretyczny, nawet najnowocześniejszy, taki jak supersymetria lub teoria strun, nie jest w stanie wyjaśnić obecności tej tajemniczej ciemnej energii w ilości wymaganej przez nasze obserwacje. Gdyby ciemna energia była wielkością przewidywanym przez teorie, wszechświat rozszerzyłby się z tak fantastyczną prędkością, że zapobiegłby istnieniu wszystkiego, co wiemy w naszym kosmosie. ”
Wymaganą ilość ciemnej energii tak trudno jest pogodzić ze znanymi prawami natury, że fizycy zaproponowali wszelkie egzotyczne wyjaśnienia, w tym nowe siły, nowe wymiary czasoprzestrzeni i nowe ultralekkie cząstki elementarne. Jednak nowy raport nie proponuje żadnego nowego składnika wszechświata, jedynie uświadomienie, że obecne przyspieszenie wszechświata jest konsekwencją standardowego modelu kosmologicznego dla wczesnego wszechświata: inflacji.
„Nasze rozwiązanie paradoksu przyspieszającego wszechświata”, mówi Riotto, „opiera się na tak zwanej teorii inflacyjnej, urodzonej w 1981 r. Zgodnie z tą teorią, w ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu wszechświat doświadczył niezwykle szybki rozwój. To wyjaśnia, dlaczego nasz wszechświat wydaje się bardzo jednorodny. Niedawno eksperymenty Boomerang i WMAP, które mierzyły niewielkie wahania promieniowania tła pochodzącego z Wielkiego Wybuchu, potwierdziły teorię inflacyjną.
Powszechnie uważa się, że podczas ekspansji inflacyjnej na początku historii wszechświata powstały bardzo małe zmarszczki w czasoprzestrzeni, zgodnie z teorią ogólnej teorii względności Einsteina. Fale te zostały rozciągnięte przez ekspansję wszechświata i rozciągają się dziś daleko poza nasz kosmiczny horyzont, czyli ponad region znacznie większy niż obserwowany wszechświat, w odległości około 15 miliardów lat świetlnych. W bieżącym artykule autorzy sugerują, że to ewolucja tych kosmicznych zmarszczek zwiększa obserwowaną ekspansję wszechświata i uwzględnia jego przyspieszenie.
„Zdaliśmy sobie sprawę, że wystarczy dodać ten nowy kluczowy składnik, fale czasoprzestrzeni generowane podczas epoki inflacji, do ogólnej teorii względności Einsteina, aby wyjaśnić, dlaczego wszechświat przyspiesza dzisiaj”, mówi Riotto. „Wydaje się, że rozwiązanie zagadki przyspieszenia obejmuje wszechświat poza naszym kosmicznym horyzontem. Nie jest wymagana tajemnicza ciemna energia. ”
Kolb Fermilaba nazwał propozycję autorów najbardziej konserwatywnym wyjaśnieniem przyspieszającego wszechświata. „Wymaga to jedynie prawidłowego rozliczenia fizycznych skutków zmarszczek poza naszym kosmicznym horyzontem” - powiedział.
Dane z nadchodzących eksperymentów pozwolą kosmologom przetestować propozycję. „Czy Einstein miał rację, kiedy po raz pierwszy wprowadził stałą kosmologiczną, czy też miał rację, kiedy później obalił ten pomysł, wkrótce zostanie przetestowany przez nową rundę precyzyjnych obserwacji kosmologicznych”, powiedział Kolb. „Nowe dane wkrótce pozwolą nam rozróżnić nasze wyjaśnienia dotyczące przyspieszonej ekspansji wszechświata od rozwiązania ciemnej energii”.
INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), włoski włoski instytut fizyki jądrowej, wspiera, koordynuje i prowadzi badania naukowe w dziedzinie fizyki subnuklearnej, jądrowej i astrocząsteczkowej oraz bierze udział w opracowywaniu odpowiednich technologii.
Fermilab, w Batavia, Illinois, USA, jest zarządzany przez Universities Research Association, Inc. dla Biura Naukowego Departamentu Energii, który finansuje zaawansowane badania w dziedzinie fizyki cząstek i kosmologii.
Oryginalne źródło: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
