Ciemna energia pisze nowy scenariusz końca wszystkiego?

Jeszcze sto lat temu dominowało przekonanie, że Wszechświat jest tworem statycznym. Istniał i będzie istnieć od zawsze i na zawsze. Uważał tak również Albert Einstein. Gdy badał, jaką przyszłość przepowiada Wszechświatowi jego ogólna teoria względności, uznał, że grawitacja – rozumiana jako zakrzywienie czasoprzestrzeni – z natury jedynie przyciąga materię do siebie nawzajem. Aby Wszechświat był stabilny, grawitacja musi więc mieć swoją przeciwwagę, pewną energię odpychającą materię od siebie. Inaczej zapadłby się pod wpływem własnej masy. Tę odpychającą siłę Einstein nazwał stałą kosmologiczną. Taki kosmos trwający w równowadze pomiędzy grawitacją i tajemniczą, nie do końca zrozumiałą wielkością mógłby istnieć nieporuszony po wsze czasy. Wiemy, że Einsteinowi nie podobał się ten sztuczny twór „szkodliwy dla formalnego piękna teorii” – jak czytamy w jego notatkach.

Minęło zaledwie kilka lat, a misternie skonstruowana przez wielkiego fizyka równowaga rozpadła się na kawałki. Edwin Hubble (na podstawie wyznaczonych przez Vesto Sliphera prędkości i uzyskanych metodą Henrietty Leavitt odległości) odkrył, że Wszechświat się rozszerza. Na wieść o tych wynikach Einstein napisał, że rozbiły jego „starą konstrukcję niczym cios młota”. Skłoniło go to do rewizji podejścia do stałej kosmologicznej. Nazwał ją swoim największym błędem (choć niektórzy historycy nauki oceniają, że miał na myśli raczej niestabilność modelu, którą przeoczył, a nie samo istnienie stałej kosmologicznej). Nie mógł wiedzieć, że ta „skaza” zagości w naszym opisie Wszechświata na dobre.

Wbrew przewidywaniom astrofizyków rozszerzanie Wszechświata okazuje się nie zwalniać, lecz przyspieszać. Musi więc istnieć przeciwwaga do grawitacji napędzająca ekspansję. Choć przyjmuje się, że stała kosmologiczna jest częścią tzw. kosmologicznego modelu standardowego, powszechniejszym terminem jest „ciemna energia”. Od 30 już lat sygnalizuje on, że w istocie nie mamy pojęcia, czym ona jest. Do niedawna zgodnie przyjmowano, że mamy do czynienia z parametrem, którego wartość się nie zmienia. Być może przychodzi jednak czas na weryfikację tego założenia.

Kronika kosmosu

Jak mamy zbadać coś, czego nie widać? I to w sytuacji, gdy lokalne efekty działania tego czegoś są zupełnie zaniedbywalne – uwidaczniają się dopiero w skalach rzędu setek milionów lat świetlnych. Badacze postanowili poszukać echa pewnego kosmicznego dźwięku. Zaraz, zaraz, ktoś zaprotestuje, przecież dźwięk nie może się rozchodzić w przestrzeni kosmicznej! Otóż może, jeśli jest ona wystarczająco gęsta. A taka właśnie była u samych początków Wszechświata.

„Nasłuch” prowadzono za pomocą DESI (Dark Energy Spectroscopy Instrument), urządzenia umieszczonego w czterometrowym teleskopie na Kitt Peak w Arizonie. To technologiczny majstersztyk. W ognisku teleskopu, czyli tam, gdzie amator obserwacji nieba spogląda, by dojrzeć obraz ulubionej galaktyki, konstruktorzy umieścili ponad 5 tys. światłowodów. Każdy z nich, sterowany przez robotyczne uchwyty, jest w stanie precyzyjnie skierować swój koniec na galaktykę znajdującą się w polu widzenia. Dzięki temu prędkość skanowania nieba jest niepowtarzalna – w ciągu miesiąca DESI może zaobserwować ponad milion obiektów. Spektrograf rozszczepia światło na kolory, a te ujawniają odległość do galaktyki: im dalej znajduje się od nas, tym szybciej się oddala, więc jej kolor staje się bardziej czerwony (to rozszerzający się Wszechświat rozciąga falę świetlną, przez co obserwujemy jej poczerwienienie).

Dzięki tej technice po trzech latach naukowcy mogą się pochwalić zmierzeniem położenia i prędkości ponad 14 mln galaktyk. Stworzyli mapę – a właściwie kronikę – Wszechświata obejmującą 10 mld lat, czas od chwili gdy miał on zaledwie 3,6 mld lat. Liczby mają znaczenie. Pojedyncza zaobserwowana galaktyka nie ma bowiem dla DESI wielkiej wartości. Dopiero miliony obiektów precyzyjnie umiejscowionych na trójwymiarowej mapie odsłaniają echo kosmicznego dźwięku.

Model wszystkiego

Młody Wszechświat był rozgrzaną plazmą protonów i neutronów (czyli tzw. barionów). Tworzyły ośrodek, w którym rozchodziły się fale akustyczne. W pewnym momencie – gdy doszło do wystarczającego schłodzenia – uległy zastygnięciu. Pomyślmy o tafli wody, na którą pada deszcz, wywołując mnóstwo rozchodzących się falowań powierzchni. Gdyby woda zamarzła natychmiastowo, wywołane uderzeniami kropli zaburzenia pozostałyby w nią niejako wdrukowane. W przypadku czasoprzestrzeni nazywamy je barionowymi oscylacjami akustycznymi (BAO). Miały swój charakterystyczny rozmiar w momencie zastygnięcia – 900 tys. lat świetlnych średnicy. Potem Wszechświat wciąż jednak się rozszerzał, a zamrożone fale wraz z nim. Teraz astronomowie mogą mierzyć ich wielkość zależną od wieku. To bardzo precyzyjna ocena tempa rozszerzania kosmosu.

W 2024 r. uczestnicy DESI zaprezentowali pierwsze rezultaty – ciemna energia zdawała się topnieć wraz z wiekiem Wszechświata. Czyżby więc stała kosmologiczna nie była stała? Naukowcy bardzo ostrożnie raportowali o tych wczesnych wynikach. Dało się jednak wyczuć napięcie i oczekiwanie. Wiadomo było, że dopiero kolejna seria zweryfikuje przypuszczenia. Czy ewolucja ciemnej energii okaże się tylko statystycznym szumem, czy największym od 30 lat przełomem w kosmologii?

Przy pytaniach tej wagi nie można ryzykować, że własne poglądy naukowców – czy choćby chęć dokonania odkrycia – wpłyną na rezultaty badań. Projekt DESI używał więc tzw. ślepej analizy uniemożliwiającej dowiedzenia się na kolejnych etapach projektu, jaki model ciemnej energii sugerują dane. Oficjalnego rozszyfrowania dokonano na spotkaniu w grudniu 2024 r. w Cancún w Meksyku. Zapanowała euforia.

Teraz, 19 marca, naukowcy podzielili się wynikami z całym światem. Ich publikacje trafiły do platformy preprintowej arxiv.org i przechodzą teraz proces zewnętrznej recenzji. Wyniki wydają się wskazywać dużo pewniej na zmienną ciemną energię – szczególnie w połączeniu z innymi obserwacjami kosmologicznymi, np. tymi dokonanymi przez misję Planck badającą echo Wielkiego Wybuchu. Wielu kosmologów niezwiązanych z projektem wciąż zachowuje rezerwę wobec wyników. Przyznają jednak, że jeśli się potwierdzą, będzie to prawdziwa rewolucja.

Jedną z najciekawszych konsekwencji zmienności ciemnej energii jest to, że los Wszechświata może się odwrócić. Od kiedy astronomowie wykazali, że ekspansja przestrzeni przyspiesza, najbardziej prawdopodobną wersją końca kosmosu było jego rozproszenie w niebyt – ostatecznie rozpadnie się wszystko, nawet atomy. Jeżeli siła napędzająca ekspansję z jakiegoś powodu jednak słabnie, może się zdarzyć tak, że ostatecznie przegra z grawitacją – i wszystko z powrotem zacznie się zapadać do centralnego punktu. A potem, być może, zdarzy się kolejny Wielki Wybuch. Stawką pytania o zmienność ciemnej energii jest więc przyszłość wszystkiego. Ale nie tylko.

Zalew sensacji

Standardowy model kosmologiczny zakładający stałość ciemnej energii tłumaczy nie tylko wielkoskalową ewolucję Wszechświata, ale i np. istnienie tzw. ciemnej materii, drugiego, równie ważnego co ciemna energia, zagadkowego składnika modelu standardowego. Korekta mogłaby wpłynąć na nasze zrozumienie fizyki tu i teraz, a nie tylko w odległym Wszechświecie.

Warto pamiętać, że to nie pierwsza rysa na modelu standardowym. W 1983 r. Mordechai Milgrom sformułował teorię zwaną zmodyfikowaną dynamiką newtonowską (Modified Newtonian Dynamics, MOND), która miałaby wyjaśniać wiele zagadkowych zjawisk Wszechświata bez odwoływania się do ciemnej materii. Choć pojawiły się przykłady obiektów, których istnienie jednoznacznie może zostać uzasadnione przez ten czynnik, jak Gromada Pocisk, zwolennicy MOND nie składają broni – znaleźli np. Gromadę El Gordo, która wydaje się niemożliwa do skonstruowania przy użyciu modelu standardowego.

No właśnie, zwolennicy – przeciwnicy. To nie brzmi jak naukowe dociekanie, ale jak polityczna debata. Badacze to jednak ludzie i ich emocje często dochodzą do głosu, szczególnie gdy stawką jest Nagroda Nobla, przewrót na miarę kopernikańskiego czy po prostu losy Wszechświata. Skłaniający się ku alternatywnym teoriom grawitacji, jak na przykład Pavel Kroupa, zarzucają kosmologom spod znaku ciemnej materii dogmatyzm i wykluczanie alternatyw bez uważnego ich zbadania.

Przyznaję, że ja też na ciemną materię i energię patrzyłem podejrzliwie, skupiony na naszym lokalnym podwórku (obiekty badane przeze mnie rzadko znajdują się dalej niż 2 tys. lat świetlnych od Ziemi). Z pewną konsternacją obserwowałem kosmologów dopisujących kolejne abstrakcyjne konstrukty do swoich teorii. Zadziwiało mnie również, z jaką pewnością siebie to robili – bez mrugnięcia okiem stwierdzając, że 95 proc. Wszechświata składa się z ciemnej materii i energii. Czy był to tylko trik, by przekonać opinię publiczną, że ciągle mamy co badać?

Warto jednak na ciemną materię spojrzeć trochę mniej dosłownie. Termin „ciemna” w tym przypadku oznacza tyle co nieznana, niewchodząca w interakcje ze światłem, ale nie mówi nic o jej naturze. Tak samo jest z ciemną energią. Powiedzieć, że istnieje, to tyle, co powiedzieć, że istnieje nierozpoznana siła, która ma jednak konkretny, mierzalny wpływ na Wszechświat. Ostatecznie mówimy przecież tylko o naszym opisie, matematycznym konstrukcie, który ma poprawnie opisać rzeczywistość, umożliwić sprawdzalne przewidywania, a nie o jego obiektywnej naturze.

Niedawno serwisy informacyjne obiegła informacja, jakoby Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (JWST) pokazał, że żyjemy w czarnej dziurze. Nie, nie pokazał. W zalewie tego rodzaju chwytliwych nagłówków łatwo przegapić prawdziwy przełom. A jeden z nich być może właśnie się dokonuje dzięki DESI. Coraz bardziej pewni swego uczestnicy przeglądu zachowują jednak powściągliwość. Zapewne wyciągają lekcje z innych ważnych projektów.

Na przykład wieloletni przegląd nieba KIDS (Kilo-Degree Survey) wykazał, że początkowo sugerowane przez zespół badaczy rozbieżności z wynikami kosmologicznymi misji Planck znikają przy powiększonym zestawie danych i bardziej dopracowanej analizie. Analogicznie – wczesne wyniki satelity Planck wskazywały na znaczące anomalie w standardowym modelu, które ostatecznie okazały się fikcją. Doświadczenie każe więc czekać na postępy przeglądu nieba DESI przed wydawaniem ostatecznych wyroków. Na pewno jednak żyjemy w ciekawych czasach.

Koniec świata?

W „Nieznośnej lekkości bytu” Milan Kundera stawia tezę: co wydarza się raz, mogłoby równie dobrze nie wydarzyć się wcale. Nasz Wszechświat, dotychczas skazany na „cieplną śmierć” przez rozpad na najdrobniejsze elementy, być może dostanie kolejną szansę. Niestety, ostatnio tego rodzaju problemy zdają się schodzić na drugi plan, ustępując bardziej przyziemnym. DESI może być tego przykładem. Projekt w dużej mierze jest sfinansowany przez Departament Energii USA. Niedawno Elon Musk ocenił, że ponad 8 tys. jego pracowników jest zbędnych. W środowisku naukowym panują minorowe nastroje. Odwoływane są podróże na konferencje – z obawy przed restrykcjami wizowymi w Stanach Zjednoczonych albo z powodu obcięcia funduszy amerykańskich agencji na międzynarodową współpracę. Pod znakiem zapytania stoi przyszłość wielkich misji kosmicznych – w nowym planie finansowania NASA (z budżetem mniejszym o połowę) nie znalazły się wydatki na wsparcie teleskopów innych niż Hubble i JWST, a więc nawet na bliski ukończenia Nancy Grace Roman Space Telescope.

Tymczasem Chiny ogłosiły w październiku 2024 r. plan aktywności naukowej w dziedzinie astronomii, stawiając sobie ambitne cele misji kosmicznych dorównujących jakości teleskopom Webba i Hubble’a. Czy tamtejsi uczeni będą się dzielić wynikami z resztą świata? Czy będą zachęcać do współpracy?

Czy warto pytać o koniec Wszechświata, gdy nasz dotychczasowy świat się rozpada? Jak mówił Carl Sagan: „Jesteśmy sposobem, w jaki kosmos może sam siebie zrozumieć”.