Kažkaip paskutiniu metu pažintinius straipsnius rašyti sekasi sunkokai – truputį laiko nėra, truputį idėjų badas, truputį kūrybingumo stoka, truputį tingiu. Tai pagalvojau, kad pabandysiu reguliariai sekti visokias su astronomija susijusias naujienas ir kokį sykį ar porą per savaitę šiek tiek plačiau (ir, tikiuosi, truputį geriau, nei koks Delfis) pakomentuoti vieną ar kitą svarbų atradimą. Gilių žurnalistinių įžvalgų nesitikėkite, nuodugnaus aiškinimo apie fizikinius reiškinius – irgi. Bet gal vis tiek bus įdomu.
Pirmoji tokia naujiena – prieš porą dienų paskelbtos žinios, jog detalus tyrimas, atrodo, patvirtino tamsiosios energijos egzistavimą. Pranešimą galite paskaityti angliškai „Universe Today“ arba lietuviškai Delfyje. O aš truputį detaliau papasakosiu, kas ta tamsioji energija yra, kaip jos ieškoma ir kodėl ji svarbi.
Prieš keletą mėnesių rašiau apie tamsiąją materiją (dar lietuviškai vadinamą nematomąja medžiaga). Daugelis painioja šią sąvoką su tamsiąja energija, taigi pabrėšiu, jog tarp jų vienintelis bendrumas yra vienas pavadinimo žodis. Neskaitant keleto alternatyvių* kosmologinių teorijų, kuriose kartais šitie dalykai yra apjungiami, bet dažniau vienas arba abu iš jų tiesiog išnyksta, tamsioji materija ir tamsioji energija standartiniame (konkordaciniame) kosmologijos modelyje yra visiškai skirtingi dalykai. Pirmoji yra materijos forma, nesąveikaujanti elektromagnetiškai; ji yra susikaupusi galaktikose ir jų telkiniuose, jos egzistavimas nulemia kosmoso struktūrų formavimąsi. Tamsioji materija sudaro maždaug 23% Visatos masės-energijos.
Tamsioji energija sudaro maždaug 73% Visatos masės-energijos. Apie ją žinome gerokai mažiau, nei apie tamsiąją materiją. Pirmą kartą kažkoks panašus dalykas pasirodė XX a. pirmoje pusėje, kai Einšteinas bandė pritaikyti savo sukurtas lauko lygtis visai Visatai. Tam, kad Visata išliktų stacionari (t.y. nei plėstųsi, nei trauktųsi; tuo metu toks požiūris, vadinamas nuolatinio būvio Visatos modeliu, buvo vyraujantis), prie lygčių reikėjo pridėti papildomą narį, kuris buvo pavadintas „kosmologine konstanta“ ir pažymėtas graikiška raide Λ (lambda). Kiek vėliau, paaiškėjus, jog Visata plečiasi, kosmologinės konstantos buvo atsisakyta, o Einšteinas ją pavadino savo „didžiausia klaida“ („biggest blunder“).
Taip praėjo keli dešimtmečiai. Prieš maždaug 15 metų pradėti vykdyti du tyrimai, kuriais siekta nustatyti Visatos plėtimosi greitį ir jo kitimą, naudojant Ia tipo supernovas. Šios supernovos pasižymi beveik identiškais ryškiais, taigi jas galima naudoti atstumų nustatymams. Bet atstumai kosmologijoje atstumams nelygu. Esant dideliems nuotoliams, atstumas nuo raudonojo poslinkio priklauso ne tiesiogiai, kaip nedideliais atstumais. Priklausomybė išreiškiama gana sudėtinga lygtimi, į kurią, tarpe kitų dydžių, įeina ir Visatos „lėtėjimo parametras“ – bedimensinis dydis, kuris parodo, kaip stipriai lėtėja Visatos plėtimasis (ilgą laiką buvo manoma, jog Visata turi lėtėti, nes kūnų tarpusavio gravitacija stabdo plėtimąsi). Žinant daugelio supernovų raudonuosius poslinkius (iš spektrų) ir nuotolius (iš ryškių), galima apskaičiuoti ir lėtėjimo parametro vertę.
1998 m. pirmi tyrimų rezultatai buvo labai netikėti – pasirodo, Visata plečiasi greitėdama! Vienas iš pirmų ir paprasčiausių paaiškinimų, kodėl taip yra, buvo toks: be žinomos paprastos ir tamsiosios materijos, Visatoje dar egzistuoja ir kažkokia keista „tamsioji energija“, kuri turi neigiamą slėgį, t.y. stumia Visatą į šonus ir verčia ją plėstis. Detaliau nagrinėjant, kaip Visatos plėtimosi greitis kito laikui bėgant, nustatytos kai kurios šio mistiško reiškinio savybės: pavyzdžiui, jos slėgis yra tris kartus didesnis (ir priešingo ženklo), nei tokio paties kiekio reliatyvistinių dujų slėgis; be to, tamsiosios energijos tankis nekinta laikui bėgant, o materijos – mažėja (nes vis didesnį tūrį užpildo toks pat materijos kiekis), taigi maždaug pirmą pusę Visatos egzistavimo materija sudarė didesnę masės-energijos dalį, o tamsioji energiją paėmė viršų tik vėliau, ir dabar jos įtaka vis stiprėja. Šis nekintama tankis tamsiąją materiją paverčia tam tikra konstanta, labai panašia į Einšteino „kosmologinę konstantą“.
Tačiau tai nebuvo vienintelis galimas paaiškinimas. Kelios alternatyvios teorijos remiasi hipoteze, jog bendroji reliatyvumo teorija, iš kurios išvestos Visatos plėtimosi lygtys, yra neteisinga, bent jau labai dideliais atstumais. Jeigu gravitacija dideliu nuotoliu objektus vieną nuo kito stumia, o ne traukia, tai irgi paaiškintų greitėjantį Visatos plėtimąsi.
Beje, šioje vietoje įterpsiu pastebėjimą, kad tamsiosios energijos poveikis pastebimas tik labai dideliais atstumais. Mūsų vietinė galaktikų grupė juda tik gravitacijos veikiama, Visatos plėtimasis jai neturi jokios įtakos. Tai neprieštarauja bendrai teorijai, nes lygtys, aprašančios Visatos didelio mastelio evoliuciją, tinka tik tokiais masteliais, kai Visatą galima laikyti homogeniška, t.y. visur vienodo tankio. Mažesniais masteliais ši prielaida tampa nebeteisinga, o lygtys pasidaro nebeišsprendžiamos, tad ir apie kosmologines konstantas kalbėti nėra prasmės.
Naujasis tyrimas, atliktas NASA valdomo Galaktikų evoliucijos tyrimo (Galaxy evolution explorer) ir Anglų-australų observatorijos (Anglo-Australian observatory), siekė išsiaiškinti, kuri iš šių teorijų yra teisingesnė. Jie rėmėsi mintimi, jog jei Visatos plėtimąsi greitina neįprastai veikianti gravitacija, tai jos poveikis turėtų būti stipresnis ten, kur yra daug materijos – galaktikų spiečiuose; o jei tamsioji energija visgi egzistuoja ir yra tiesiog konstanta, tai plėtimosi greitėjimas turėtų būti visur vienodas.
Tyrimo pagrindas – didžiulio trimačio Visatos žemėlapio sudarymas. Žemėlapis, kurio tolimiausi objektai yra už trijų milijardų parsekų (tai atitinka žiūrėjimą 7 milijardus metų į praeitį), buvo sudarytas per penkerius galaktikų stebėjimų metus. Tada duomenys buvo išanalizuoti, tikrinant du Visatos plėtimosi poveikius. Pirmasis toks poveikis – raudonojo poslinkio ir atstumo sąryšis; tik, priešingai nei supernovų tyrimo metu, čia buvo tikrinama priklausomybė tarp raudonojo poslinkio ir vadinamojo kampinio atstumo – atstumo, kuriuo nuo mūsų nutolęs kažkoks žinomo dydžio objektas, jei danguje jis užima tam tikrą išmatuojamą kampą. Tokie „žinomo dydžio objektai“ šiame tyrime buvo gravitaciškai susijusios galaktikų poros, tarp kurių atstumai turi būti maždaug pusė milijardo šviesmečių. Šis atstumas žinomas iš kosminės foninės spinduliuotės tyrinėjimų ir yra pakankamai didelis, kad būtų galima atskirti galaktikas dangaus skliaute. Tokiu būdu buvo nepriklausomai nustatyta Visatos „lėtėjimo“ parametro vertė įvairiais atstumais ir įvairiose aplinkose (ir dideliuose spiečiuose, ir gana mažo tankio srityse).
Antrasis poveikis – galaktikų būrimosi į spiečius sparta. Spiečiai formuojasi dėl gravitacinės pavienių galaktikų sąveikos. Bet jei spiečiai yra labai dideli, jų formavimuisi įtakos ima turėti ir Visatos plėtimasis. Taigi „spiečiavimosi“ spartą nulemia ir materijos pasiskirstymas, ir tamsiosios energijos – kas ji bebūtų – poveikis. Tyrinėjant, kaip atrodė galaktikų spiečiai seniau ir dabar, galima įvertinti jų formavimosi greitį ir taip nustatyti, kokiu masteliu ir kaip stipriai veikia tamsioji energija.
Abu analizės metodai davė tokius pačius rezultatus. Tamsioji energija, atrodo, yra tikrai vienodo stiprio visur ir visada. Alternatyvios gravitacijos teorija nepasiteisino. Tačiau ar tikrai pasiteisino kosmologinė konstanta? Šito vienareikšmiškai tvirtinti dar negalima, bet modelis atlaikė dar vieną išbandymą, tad jo perspektyvos atrodo geros.
* – turiu omeny ne „nesuprastų genijų“, plačiais mostais paneigiančių poros šimtų metų mokslo progresą, darbus, o rimtas alternatyvias teorijas. Beveik visos jos yra gerokai sudėtingesnės ir prasčiau atitinka realybę, nei konkordacinis modelis, bet tai nereiškia, kad jos visiškai nevertingos ir negalima/neverta jų nagrinėti.