Naukowcy osiągnęli niespotykaną dotąd klarowność w mapowaniu ekspansji Wszechświata i badaniu ciemnej energii – tajemniczej siły przyspieszającej tę ekspansję. Przełom opiera się na analizie danych z sześciu lat zebranych przez kamerę ciemnej energii (DECam) na 4-metrowym teleskopie Victora M. Blanco należącym do amerykańskiej National Science Foundation. Po raz pierwszy połączono cztery niezależne metody badania ciemnej energii, podwajając dokładność poprzednich pomiarów.
Dane leżące u podstaw odkrycia
Analiza obejmuje 758 nocy obserwacyjnych obejmujących jedną ósmą nieba, przeprowadzonych w latach 2013–2019 w ramach współpracy Dark Energy Survey (DES). 570-megapikselowa kamera DECam przechwyciła dane z oszałamiających 669 milionów galaktyk oddalonych o kilka miliardów lat świetlnych. Skala ta jest krytyczna, ponieważ zrozumienie ciemnej energii wymaga obserwacji Wszechświata w możliwie największej skali: efekty są subtelne i stają się widoczne dopiero przy uwzględnieniu ogromnych odległości kosmicznych.
Dlaczego ciemna energia jest ważna
Po raz pierwszy wzmianka o istnieniu ciemnej energii pojawiła się w 1998 roku, kiedy astronomowie odkryli, że odległe supernowe oddalają się szybciej niż oczekiwano. Oznaczało to nie tylko, że Wszechświat się rozszerzał, jak odkrył Edwin Hubble kilkadziesiąt lat wcześniej, ale że jego ekspansja przyspieszała. Ciemna energia stanowi obecnie około 68% całkowitej energii i materii we wszechświecie, ale jej natura pozostaje nieznana.
Kluczowy jest także moment dominacji ciemnej energii: zaczęła ona dominować nad grawitacją dopiero pomiędzy 3 a 7 miliardami lat temu. Sugeruje to, że ewolucja Wszechświata nie jest prostym procesem liniowym, ale obejmuje fazy, w których główną rolę odegrały różne siły.
Cztery sposoby badania tego, co niewidzialne
Analiza DES w unikalny sposób łączy cztery metody badania ciemnej energii:
- Supernowe typu Ia: oryginalne narzędzie odkrywcze, wciąż niezbędne do pomiaru odległości we Wszechświecie.
- Słabe soczewkowanie grawitacyjne: Subtelne załamanie światła przechodzącego przez masywne obiekty, ukazujące rozkład ciemnej materii i ciemnej energii.
- Gromady Galaktyk: Sposób, w jaki gromadzą się galaktyki, dostarcza wskazówek na temat podstawowej struktury kosmicznej, na którą wpływa ciemna energia.
- Barionowe Oscylacje Akustyczne (BAO): Pozostałości wczesnego Wszechświata, zachowane jako fluktuacje gęstości, działające jak kosmiczna linijka mierząca ekspansję.
Walidacja krzyżowa tych czterech niezależnych metod znacznie zwiększyła pewność zespołu DES co do uzyskanych wyników.
Nieoczekiwane rozbieżności
Dane DES są spójne zarówno ze standardowym modelem kosmologicznym (Lambda Cold Dark Matter – LCDM), jak i z bardziej elastycznym modelem, który pozwala na ewolucję ciemnej energii w czasie (wCDM). Analiza ujawniła jednak rozbieżność pomiędzy obserwowanymi gromadami galaktyk a przewidywaniami obu modeli.
Wydaje się, że współczesne galaktyki gromadzą się inaczej, niż oczekiwano na podstawie pomiarów wczesnego Wszechświata, co sugeruje, że obecne modele kosmologiczne mogą być niekompletne. Ta rozbieżność, choć subtelna, staje się coraz bardziej zauważalna z każdą nową obserwacją.
Przyszłość badań nad ciemną energią
Następnym krokiem będzie połączenie danych DECam z obserwacjami z przeglądu przestrzeni i czasu (LSST) Obserwatorium Vera C. Rubin, które kataloguje około 20 miliardów galaktyk. Zapewni to jeszcze pełniejsze zrozumienie historii Wszechświata i zachowania ciemnej energii.
„DES okazał się siłą transformacyjną, a Obserwatorium Very C. Rubin zaprowadzi nas jeszcze dalej” – mówi Chris Davis z National Science Foundation. Bezprecedensowa skala Obserwatorium Rubina może sprawdzić nasze zrozumienie grawitacji i odkryć nowe spojrzenie na prawdziwą naturę ciemnej energii.
Wszechświat pozostaje pełen tajemnic, ale te odkrycia przybliżają nas bardziej niż kiedykolwiek do rozwikłania tajemnic jego przyspieszającej ekspansji.
