Od ponad stu lat odkrywamy, że Wszechświat skrywa znacznie więcej tajemnic, niż przypuszczano. Dziś wiemy, że zwykła materia – gwiazdy, planety, gaz i pył – stanowi zaledwie około 5% całkowitej zawartości kosmosu. Reszta przypada na dwa niewidzialne składniki: ciemną materię (około 25%), która swoją grawitacją utrzymuje galaktyki w całości, oraz ciemną energię (około 70%), odpowiedzialną za przyspieszające rozszerzanie się Wszechświata.
Przez dziesięciolecia uważano, że oba te składniki są od siebie całkowicie niezależne. Najnowsze wyniki obserwacyjne sugerują jednak, że mogą być ze sobą powiązane.
Współczesna kosmologia opiera się na założeniu, że ciemna energia ma niezmienną wartość, często utożsamianą ze stałą kosmologiczną. Tymczasem dane z eksperymentu DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), analizującego rozmieszczenie milionów galaktyk, sugerują, że ciemna energia mogła zmieniać swoją siłę w historii Wszechświata.
Jeśli obserwacje te zostaną potwierdzone przez kolejne pomiary, oznaczałoby to konieczność modyfikacji standardowego modelu kosmologicznego. Niektóre analizy wskazują nawet, że kilka miliardów lat temu ciemna energia mogła przejściowo osiągnąć większą gęstość niż obecnie. Sam taki wynik wydaje się trudny do pogodzenia z klasycznym obrazem fizyki, dlatego badacze poszukują nowych wyjaśnień.
Jedna z proponowanych hipotez zakłada, że w przeszłości ciemna materia mogła stopniowo przekazywać część swojej energii ciemnej energii. W takim scenariuszu oba składniki kosmosu nie byłyby od siebie niezależne. Ponieważ to właśnie ciemna materia dzięki swojej grawitacji spowalnia rozszerzanie się Wszechświata, zmniejszanie się jej wpływu mogłoby prowadzić do szybszej ekspansji kosmosu.
Takie modele mogą również częściowo wyjaśnić tzw. napięcie Hubble'a – jedną z największych zagadek współczesnej kosmologii. Polega ono na tym, że tempo rozszerzania się Wszechświata wyznaczane na podstawie bardzo odległych obserwacji różni się od wartości otrzymywanych z pomiarów pobliskich galaktyk o około 9%. Jeśli ciemna materia i ciemna energia rzeczywiście ewoluują wspólnie, rozbieżność ta mogłaby być naturalną konsekwencją ich wzajemnych oddziaływań, a nie jedynie błędem pomiarowym.
Jeszcze dalej idzie hipoteza zaproponowana przez fizyków zajmujących się teorią strun. Zgodnie z nią, oprócz znanych nam trzech wymiarów przestrzeni i czasu, istnieją dodatkowe zwinięte wymiary przestrzenne. Większość z nich miałaby rozmiary niewyobrażalnie małe – rzędu długości Plancka, czyli około 10⁻³⁵ metra.
Niektórzy badacze proponują jednak istnienie jednego znacznie większego „ciemnego wymiaru”, którego rozmiar wynosiłby około jednego mikrometra.
W takim scenariuszu hipotetyczne cząstki przenoszące grawitację – grawitony – mogłyby częściowo przenikać do tego dodatkowego wymiaru. Tam uzyskiwałyby masę i tworzyły nowy rodzaj cząstek, określanych jako ciemne grawitony, które mogłyby odpowiadać za zjawiska przypisywane dziś ciemnej materii. Jednocześnie zmiany rozmiaru dodatkowego wymiaru wpływałyby zarówno na właściwości ciemnej materii, jak i ciemnej energii, nadając obu zjawiskom wspólne źródło.
Choć hipoteza ta brzmi radykalnie, jej autorzy podkreślają, że nie jest czystą spekulacją. Przewiduje ona bowiem konkretne efekty, które można próbować zweryfikować obserwacyjnie.
Jeżeli ciemna materia oddziałuje ze sobą nie tylko poprzez grawitację, lecz także za pomocą nowej, niezwykle słabej siły, powinno to pozostawić subtelne ślady w zachowaniu galaktyk podczas ich wzajemnych zbliżeń. Możliwość takiego testu jako pierwsi rozważali w 2006 roku Marc Kamionkowski (obecnie Uniwersytet Johnsa Hopkinsa) oraz Michael Kesden (Uniwersytet Teksański w Dallas).
Dotychczasowe obserwacje nie wykazały takich efektów, ale jednocześnie nie wykluczyły proponowanego modelu – przewidywane oddziaływania są na tyle słabe, że nadal mieszczą się w granicach obecnych możliwości pomiarowych.
Przyszłe teleskopy oraz kolejne analizy danych z projektów takich jak DESI pozwolą zweryfikować te przewidywania.
Hipoteza wspólnego pochodzenia ciemnej materii i ciemnej energii nie jest jeszcze nową teorią Wszechświata. To raczej obiecujący kierunek badań, który próbuje połączyć obserwacje astronomiczne z najbardziej zaawansowanymi teoriami fizyki fundamentalnej.
Jeżeli przyszłe pomiary potwierdzą, że ciemna energia rzeczywiście zmienia się w czasie, a jej ewolucja jest powiązana z ciemną materią, będzie to jedna z największych rewolucji w kosmologii od czasu odkrycia rozszerzania się Wszechświata. Byłby to również jeden z pierwszych przypadków, w których modele inspirowane teorią strun dostarczyłyby precyzyjnych przewidywań możliwych do sprawdzenia za pomocą obserwacji astronomicznych.
Jak podkreśla Georges Obied z Uniwersytetu w Chicago, ostateczny werdykt będzie należał do obserwacji. Jak często bywa w nauce, to nie elegancja teorii, lecz dane zdecydują, czy rzeczywiście odkrywamy nowy fragment rzeczywistości, czy jedynie kolejną fascynującą, ale błędną hipotezę.
Opracowanie: Zuzanna Wrzeszcz
Więcej informacji:
- A Dark Dimension Could Link Two of the Universe’s Great Unknowns
Źródło: Quanta Magazine
Na zdjęciu: Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) zainstalowany na 4-metrowym teleskopie Nicholasa U. Mayalla w Obserwatorium Narodowym Kitt Peak, źródło: Wikipedia
