NASA Science Mission Directorate (Polski)

Jednym z wyjaśnień ciemnej energii jest to, że jest ona właściwością przestrzeni. Albert Einstein był pierwszą osobą, która zdała sobie sprawę, że pusta przestrzeń nie jest niczym. Przestrzeń ma niesamowite właściwości, z których wiele dopiero zaczyna być rozumianych. Pierwszą właściwością odkrytą przez Einsteina jest to, że możliwe jest powstanie większej ilości przestrzeni. Następnie jedna z wersji teorii grawitacji Einsteina, ta, która zawiera stałą kosmologiczną, wprowadza drugie przewidywanie: „pusta przestrzeń” może posiadać swoją własną energię. Ponieważ energia ta jest własnością samej przestrzeni, nie uległaby rozrzedzeniu w miarę rozszerzania się przestrzeni. Gdy powstaje więcej przestrzeni, pojawia się więcej tej energii przestrzeni. W rezultacie, ta forma energii spowodowałaby, że wszechświat rozszerzałby się coraz szybciej. Niestety, nikt nie rozumie, dlaczego stała kosmologiczna powinna tam w ogóle być, a tym bardziej dlaczego miałaby dokładnie taką wartość, aby powodować obserwowane przyspieszenie wszechświata.

Ten obraz pokazuje rozkład ciemnej materii, galaktyk i gorącego gazu w jądrze łączącej się gromady galaktyk Abell 520. Wynik ten może stanowić wyzwanie dla podstawowych teorii ciemnej materii.

Inne wyjaśnienie tego, jak przestrzeń nabywa energię, pochodzi z kwantowej teorii materii. W tej teorii „pusta przestrzeń” jest w rzeczywistości pełna tymczasowych („wirtualnych”) cząstek, które nieustannie się tworzą, a następnie znikają. Ale kiedy fizycy próbowali obliczyć, ile energii dałoby to pustej przestrzeni, odpowiedź okazała się błędna – i to bardzo. Liczba okazała się 10120 razy za duża. To jest 1 z 120 zerami po niej. Ciężko jest uzyskać tak złą odpowiedź. Tak więc tajemnica trwa nadal.

Innym wyjaśnieniem ciemnej energii jest to, że jest to nowy rodzaj dynamicznego płynu energetycznego lub pola, coś, co wypełnia całą przestrzeń, ale coś, czego wpływ na ekspansję wszechświata jest odwrotny niż w przypadku materii i normalnej energii. Niektórzy teoretycy nazwali to „kwintesencją”, od piątego elementu greckich filozofów. Ale jeśli kwintesencja jest odpowiedzią, to nadal nie wiemy, jaka jest, z czym wchodzi w interakcje ani dlaczego istnieje. Tak więc tajemnica trwa nadal.

Ostatnią możliwością jest to, że teoria grawitacji Einsteina nie jest poprawna. To nie tylko wpłynęłoby na rozszerzanie się wszechświata, ale także na sposób, w jaki zachowuje się zwykła materia w galaktykach i gromadach galaktyk. Fakt ten pozwoliłby rozstrzygnąć, czy rozwiązaniem problemu ciemnej energii jest nowa teoria grawitacji, czy też nie: moglibyśmy obserwować, jak galaktyki łączą się w gromady. Jeśli jednak okaże się, że potrzebna jest nowa teoria grawitacji, to jaka by to była teoria? W jaki sposób mogłaby ona poprawnie opisywać ruch ciał w Układzie Słonecznym, tak jak to robi teoria Einsteina, a jednocześnie dawać nam inne przewidywania dla wszechświata, których potrzebujemy? Istnieją teorie kandydujące, ale żadna z nich nie jest przekonująca. Tak więc tajemnica trwa nadal.

To, co jest potrzebne, aby zdecydować pomiędzy możliwościami ciemnej energii – właściwością przestrzeni, nowym dynamicznym płynem lub nową teorią grawitacji – to więcej danych, lepszych danych.

Czym jest ciemna materia?

Poprzez dopasowanie teoretycznego modelu składu wszechświata do połączonego zestawu obserwacji kosmologicznych, naukowcy doszli do składu, który opisaliśmy powyżej, ~68% ciemnej energii, ~27% ciemnej materii, ~5% normalnej materii. Czym jest ciemna materia?

Jesteśmy o wiele bardziej pewni, czym ciemna materia nie jest, niż czym jest. Po pierwsze, jest ona ciemna, co oznacza, że nie występuje w postaci gwiazd i planet, które widzimy. Obserwacje pokazują, że we wszechświecie jest o wiele za mało widzialnej materii, aby mogła ona stanowić wymagane przez obserwacje 27%. Po drugie, nie jest ona w postaci ciemnych obłoków normalnej materii, materii zbudowanej z cząstek zwanych barionami. Wiemy to, ponieważ moglibyśmy wykryć obłoki barionowe poprzez absorpcję przechodzącego przez nie promieniowania. Po trzecie, ciemna materia nie jest antymaterią, ponieważ nie widzimy unikalnych promieni gamma, które powstają, gdy antymateria anihiluje z materią. Wreszcie, możemy wykluczyć duże czarne dziury o rozmiarach galaktyk na podstawie tego, jak wiele soczewek grawitacyjnych widzimy. Wysokie skupiska materii zaginają światło przechodzące w ich pobliżu od obiektów znajdujących się dalej, ale nie widzimy wystarczającej ilości zdarzeń soczewkowania, aby zasugerować, że takie obiekty stanowią wymagane 25% wkładu ciemnej materii.

Jedna z najbardziej skomplikowanych i dramatycznych kolizji pomiędzy gromadami galaktyk, jakie kiedykolwiek widziano, została uchwycona na tym nowym złożonym obrazie Abell 2744. Na niebiesko pokazano mapę całkowitej koncentracji masy (głównie ciemnej materii).

Jednakże w tym momencie wciąż istnieje kilka możliwości ciemnej materii, które są realne. Materia barionowa mogłaby nadal składać się na ciemną materię, gdyby była w całości związana w brązowych karłach lub w małych, gęstych kawałkach ciężkich pierwiastków. Takie możliwości znane są jako masywne zwarte obiekty halo, czyli „MACHO”. Jednak najbardziej powszechny pogląd jest taki, że ciemna materia nie jest w ogóle barionowa, ale że składa się z innych, bardziej egzotycznych cząstek, takich jak aksjony lub WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles).

Ostatnie odkrycia