Tudományos háttér
Az Univerzum 13,7 milliárd évvel ezelőtt, az Ősrobbanás során keletkezett, és azóta folyamatosan tágul. A tágulás fő bizonyítéka a megfigyeléseken alapuló Hubble-törvény, mely kimondja, hogy minél távolabb van tőlünk egy galaxis, annál nagyobb a látszólagos távolodási sebessége, azaz színképvonalai annál inkább a vörös felé tolódnak el. A galaxisok egymástól való távolodásáért nem a galaxisok saját mozgása, hanem az Univerzum tágulása felelős.
Távcsöveinkkel az elektromágneses sugárzás különböző tartományaiban kémleljük az eget, így közvetlenül csak a galaxisokat alkotó csillagok és egyéb fénylő objektumok, illetve a fényt elnyelő gáz- és porfelhők figyelhetők meg. A galaxisok mozgásának pontos feltérképezéséből és az Univerzum kezdetéről származó kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás megfigyeléseiből tudjuk, hogy a hagyományos anyagfajták mellett léteznie kell az ún. sötét anyagnak, mely csak a gravitációs kölcsönhatásban vesz részt, vagyis fényt nem bocsát ki és nem nyel el, következésképpen csak gravitációs hatásán keresztül detektálható.
Az anyag mozgását nagy távolságokon számottevően befolyásolni képes egyedüli erő a gravitáció, így a galaxisok mozgását is szinte kizárólag a gravitáció határozza meg. Az általános relativitáselmélet keretei között a gravitációt (azaz a tér görbületét), valamint az anyag mozgását és a tér tágulását az Einstein-egyenletek írják le. Szemléletesen fogalmazva: a tér megmondja az anyagnak, hogyan mozogjon, az anyag pedig meghatározza, hogy a tér hogyan görbüljön. Az Einstein-egyenleteket a teljes Univerzumra alkalmazva olyan matematikai egyenletekre jutunk, melyekből kiszámítható a tér tágulási üteme. Az egyenletek alapján a galaxisok egymástól való távolodási sebessége idővel csökkenhet vagy nőhet, attól függően, hogy mennyi az Univerzumban található, tömegvonzással kölcsönható anyag mennyisége, illetve hogy létezik-e a taszító jellegű, a tágulást gyorsítani képes sötét energia. Többféle kozmológiai modell létezik, melyek első sorban abban különböznek egymástól, hogy a különböző anyag- és energiafajták milyen eloszlását feltételezik. A modellek paraméterei csillagászati megfigyelések alapján határozhatók meg, és a valóságot legpontosabban leíró modell az egyre precízebb mérések alapján választható ki.
A korai Univerzumot kitöltő hagyományos és sötét anyag kezdetben szinte teljesen egyenletes eloszlású volt, de a gravitáció hatására idővel csomósodni kezdett, és létrejöttek a csillagok, valamint az azokból felépülő galaxisok. Nagyobb skálán tekintve a galaxisok nem egyenletesen töltik ki a teret, hanem habszerű szerkezetet alkotnak: a buborékok közti falakba, hosszú elnyúlt szálakba, ún. filamentumokba és halmazokba csoportosulnak. A buborékos szerkezet hatalmas üregeiben szinte alig található galaxis. Az Univerzum nagy skálás szerkezetét a 2000-es évek óta ismerjük részletesen; a galaxisok eloszlásának háromdimenziós feltérképezésében az ELTE kutatói is fontos szerepet játszottak.
A
galaxisok eloszlása az Univerzum egy szeletében a Sloan Digitális
Égtérképezés észlelései alapján (jobbra), illetve az anyageloszlás
modellezése N-test szimulációval (balra).
Sajnos az Einstein-egyenletek általános esetben egzaktul nem oldhatók meg, ezért a kozmológusok közelítéseket alkalmaznak. A legáltalánosabban használt közelítés, azaz a kozmológia standard modellje szerint az Univerzum a galaxisok méretét jóval meghaladó távolságskálákon homogénnek és izotrópnak tekinthető, azaz a teret kitöltő anyag eloszlása minden irányban egyenletes. Ezzel az egyszerűsítéssel élve már létezik az Einsten-egyenleteknek olyan egzakt matematikai megoldása, az ún. Friedmann-egyenlet, mely megadja a tér tágulásának ütemét az idő függvényében. Bár ez az egyszerűsített kozmológiai modell a kezdeti mérések alapján meg is egyezett a megfigyelésekkel, a 2000-es évek elején szupernóvák fényességének észlelései alapján nyilvánvalóvá vált, hogy az Univerzum egyre gyorsuló ütemben tágul, mely a homogén és izotróp modell alapján csak úgy volt magyarázható, hogy bevezették a teret egyenletesen kitöltő, a gravitációval ellentétes hatású, taszító jellegű sötét energiát. A legutóbbi kozmológiai megfigyelések alapján a sötét energia az Univerzum jelenlegi teljes energiaháztartásához (beleértve a teljes tömeget is a nevezetes E=mc2 képlet értelmében) 68%-kal járul hozzá. A gyorsuló tágulás távoli szupernóvákon alapuló felfedezését 2011-ben Nobel-díjjal jutalmazták, de a magyarázatként feltételezett sötét energia mibenlétéről máig semmit sem tudunk. Nagy probléma, hogy földi laboratóriumokban a titokzatos energiának eddig semmi nyomát nem találták, és a rá vonatkozó részecskefizikai elméletek is egymásnak ellentmondóak.
Új kutatási eredmények
Az ELTE Komplex Rendszerek Fizikája Tanszékén dolgozó Rácz Gábor és Beck Róbert PhD hallgatók Dobos Lászlóval, Csabai Istvánnal és a valamikor szintén az ELTE-n végzett, jelenleg a University of Hawaii-on professzor Szapudi Istvánnal közösen megkérdőjelezték, hogy létezik-e egyáltalán a sötét energia, és felvetették, hogy talán más módon is magyarázható az Univerzum gyorsuló tágulása. Feltevésük szerint a problémát a standard kozmológia azon közelítése okozza, mely figyelmen kívül hagyja az Univerzumban szemmel láthatóan jelen levő struktúrákat. Nem mindegy ugyanis, hogy az Univerzum anyagának a tér teljes egészére vonatkoztatott átlagsűrűsége szerint meghatározott módon tágul, vagy a tágulás léptékét alapvetően a lokális struktúrák sűrűsége határozza meg, és a megfigyelések során a különböző térrészek más-más léptékű tágulásának átlagát észleljük. A kutatók egy számítógépes szimulációt (ún. N-test szimulációt) készítettek, melyben sok millió tömeggel rendelkező sötétanyag-részecske eloszlását és gravitációs kölcsönhatását modellezték. A szimuláció segítségével rekonstruálták az Univerzum fejlődését, az anyag kezdeti csomósodását és a nagy léptékű struktúrák kialakulását. Vizsgálataik során kimutatták, hogy ha a tér tágulásának meghatározásakor átlagos sűrűséggel − azaz egyenletes anyageloszlással − számolnak, akkor, más kutatók eredményeivel egyező módon, csak a sötét energia bevezetésével hozhatók összhangba a szimuláció eredményei a csillagászati észlelésekkel. Amennyiben viszont figyelembe vették, hogy a különböző sűrűségű térrészek különbözőképpen, mintegy mini-univerzumokként, egymástól eltérő módon tágulnak, akkor a sötét energia bevezetése nélkül is rekonstruálni tudták a megfigyeléseket, azaz a Univerzum gyorsuló tágulását.
Habár a standard kozmológia és az ELTE kutatóinak új elmélete egyaránt jó magyarázatot nyújt az eddigi kozmológiai megfigyelések nagy részére, bizonyos esetekben az új modell pontosabban egyezik a mérésekkel. A kutatók azt remélik, hogy a szimuláció továbbfejlesztésével és a közeljövőben elvégzendő precízebb mérések segítségével az új modell még jobban alátámasztható lesz, és teljes egészében kizárhatóvá válik a sötét energia létezése.
Forrás: Rácz G. és mtsai., MNRAS Letters, megjelenés alatt (preprint: arXiv.org:1607.08797)
Forrás: http://www.csillagaszat.hu/hirek/sotet-energia-nelkul-is-megertheto-az-univerzum-gyorsulo-tagulasa/
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése