A sötét energia az Univerzum legnagyobb rejtélye

Erőműnyi energiát képviselő magányos atommagok, az első fény megjelenése a Világegyetemben, valamint különféle láthatatlan anyag és energia - ezeket tekintik fő kihívásnak a kutatók napjainkban.

Sok érthetetlen jelenség van a Naprendszerben, de talán még több az ismeretlen, ha a bolygórendszerünkön kívül tekintünk körbe. Sorra vesszük napjaink legnehezebbnek tartott az asztrofizikai és kozmológiai rejtélyeit.

Honnan jönnek az energikus kozmikus sugarak?

A világűrben mozgó nagysebességű atommagok között kis számban, de akadnak rendkívül energikus részecskék. Közel 30 évvel ezelőtt észlelték az egyik ilyen jelenséget, amikor egy ilyen kozmikus sugár 300 EeV (exaelektronvolt, 1 exaelektronvolt = 1 000 000 000 gigaelektronvolt, 1 gigaelektronvolt = 1 000 000 000 elektronvolt) energiával bírt, amikor a detektort eltalálta - egyetlen részecskeként ez akkora energiát képviselt, mint egy baseball labda, amely 100 kilométer/óra sebességgel halad.

Az ilyen extrém gyors kozmikus sugarak keletkezése azóta sem világos. Több különféle detektorral sikerült már ezeket elcsípni, azonban csak annyit tudni róluk, hogy a Tejútrendszeren kívülről érkeznek. A hagyományos szupernóva-robbanások kataklizmái nem tudnak ilyen nagy sebességre felgyorsítani atommagokat - az esetleges források között szóba kerültek gamma-villanások és szuper-nagytömegű fekete lyukaknál lejátszódó folyamatok is.

A rejtély megfejtéséhez egy nagyenergiájú tartományban üzemelő űrtávcsövet terveztek Extreme Universe Space Observatory néven, azonban ennek tervezése és fejlesztése anyagi okokból megtorpant. Jelenleg Japán készül megépíteni egy ehhez hasonló űrobszervatóriumot, amelyet ideális esetben 2016-ban bocsáthatnak fel, hogy a Nemzetközi Űrállomás japán moduljának külső felületén helyezzék el.

Film a nagyenergiájú kozmikus sugarakról (NASA)

Hány fokos a sötét anyag?

A láthatatlan tömeget (azaz sötét anyagot) bár közvetlenül nem lehet megfigyelni, jelenlétéről már több évtizede tudnak a kutatók. Régóta ismert például, hogy a galaxisokban a csillagoknál megfigyelhető keringési sebességeket csak a láthatónál lényegesen több anyag, pontosabban annak tömegéből eredő gravitációs vonzás magyarázhatja. Ma már az Ősrobbanás (Nagy Bumm) nyomán visszamaradt kozmikus háttérsugárzásban is sikerült kimutatni olyan egyenetlenségeket, amelyek a láthatatlan tömeg eloszlásával kapcsolatosak.

Egy szuperhalmaz térbeli szerkezetét bemutató animáció. A sötét anyag nélkül nem alakultak volna ki ilyen szerkezetek (ESO)

Emellett számítógépes szimulációk is megbízhatóan kimutatták, hogy a láthatatlan tömeg hatalmas szálakba rendeződött, és ezek alkották a gerincét a ma megfigyelhető szuperhalmazoknak, az Univerzum legnagyobb méretű alakzatainak. Ezek kialakulásához azonban úgynevezett hideg láthatatlan tömeg kell - lassú mozgású és nehéz részecskék szükségesek hozzá. Ugyanakkor ez esetben a modellek alapján a galaxisoknak sokkal több kísérővel kellene bírniuk, és a magjuk is más kellene legyen - ami részben ellentmond például a Tejútrendszernél megfigyelhetőnek. Ellenben az úgynevezett meleg láthatatlan tömeg létezésekor (kis tömegű, gyors mozgású részecskék) is olyan jelenségekkel kellene találkoznunk, amiket nem sikerült megfigyelni. Eszerint igazán egyik modell sem megfelelő - pedig a részecskéknek létezniük kell.

A csillagászati és részecskefizikai megfigyelések során fokozatosan szűkül a lehetőségek köre, hogy milyen részecskék tehetik ki a láthatatlan tömeget. A törpegalaxisok például segíthetnek annak tisztázásában, hogy a láthatatlan tömeget alkotó részecskék hidegek vagy melegek. Léteznek ugyanis olyan apró csillagvárosok, amelyekben alig van normál anyag, és nagyrészt láthatatlan tömegből állnak - ezek megfigyelése a közeljövőben választ adhat a kérdésekre. Az előrejelzések alapján néhány éven belül a laboratóriumokban is megfigyelhetik a láthatatlan tömegért felelős, korábban nem azonosított részecskéket.

Hova lettek az eltűnt részecskék?

A láthatatlan tömegtől függetlenül a látható anyaggal sem stimmel minden. A megfigyelések alapján ugyanis az úgynevezett barionos anyag (amiből a hétköznapi tárgyak, bolygók, csillagok állnak) jelentős része eltűnni látszik az Univerzum fejlődése során. A korai Világegyetem megfigyelése alapján a deutérium izotópokból és velük együtt a hidrogénből is 10 milliárd évvel ezelőtt közel kétszer annyi lehetett, mint jelenleg.

A feltételezések szerint a hiányzó rész a galaxisok közötti diffúz és forró plazma, vagyis ionizált gáz formájában lehet jelen. A nagyon kis sűrűségű anyag hőmérséklete 100 ezer és 10 millió kelvin között lehet. Ennek megfigyelése igen nehéz, de nemrég közöltek már olyan méréseket, amelyek szerint ionizált neon- és oxigénatomok formájában nyomára akadtak az eltűnt anyagnak. Sok kutató azonban szkeptikus a megfigyeléssel kapcsolatban.

Olyan észlelések is történtek, amelyek néhány galaxis körül olyan anyagfelhőket találtak, amelyekben a hiányzó barionok egy része előfordulhat - ez azonban nem oldhatja meg a hiányzó nagyobb mennyiség problémáját. A feltételezett galaxisok közötti, kis sűrűségű anyag viselkedésének megértése fontos, hiszen jelentős szerepet játszhat az egyes galaxisok növekedésében.

Mitől ionizálódott újra a Világegyetem?

Sok részlet ismert a Világegyetem kezdőpontjáról, majd későbbi fejlődéséről - azonban igen hiányos a tudás az első közel egymilliárd évről. A kezdőpillanat után néhány százezer évvel hűlt le az anyag annyira, hogy atomokat alkosson. De ezt követően néhány 100 millió évvel valami ismét ionizálta az anyagot, leszakítva az elektronokat az atommagokról.

Fontos események a Világegyetem fejlődése során (NASA)

Az ekkorra már elég ritkává vált anyag azóta is átlátszó maradt, de nagy kérdés, mi hozta létre ismét az ionizált állapotot. A mai feltételezések szerint az elsőként kialakult csillagok ultraibolya sugárzása felel ezért - ekkor gyúlt fény először a Világegyetemben. A megfigyelések alapján azonban úgy fest, nem volt elég galaxis mindehhez. Az is elképzelhető, hogy az ősi fekete lyukak és a környezetük között fellépő intenzív kölcsönhatás felel az ionizáció jelentős részéért, és a feltűnő kvazárok okozták a jelenséget.

Szimuláció az anyag reionizációjáról és a galaxisok fejlődéséről (NASA)

A következő évtizedekben elkészülő 20-40 méter átmérőjű távcsövekkel a kutatók feltehetőleg választ kapnak a kérdésre. Ezek a műszerek már sokat tudnak majd azonosítani az elsőként kialakult galaxisok közül, amelyek akár 300 millió évvel az Ősrobbanás (Nagy Bumm) után is létezhettek. Fontosak lesznek a James Webb-űrtávcső mérései is, ez a tervek alapján 2018-ban startol majd. A rádiótávcsövek is sokat segíthetnek, a hidrogén állapotáról árulkodó 21 centiméteres hullámhossz megfigyelése eltérő távolságban és eltérő időben az ionizáltság mértékének változására utal. Ha sikerül ezt feltétképezni az ősi Világegyetemben, különösen az ott azonosítható galaxisok környezetében, fontos támpontot kapnak a kutatók.

Mi a sötét energia?

Napjaink legsötétebb és legkevésbé értett kozmológiai rejtélye a sötét energia vagy láthatatlan energia mibenléte. Tizennégy évvel ezelőtt meglepte a tudományos világot a bejelentés, amely szerint néhány távoli szupernóva-robbanás megfigyelése alapján a Világegyetem tágulása nem lassul (mint azt addig logikusan várták), hanem gyorsul. Az új megfigyelés nyomán vezették be a sötét energia fogalmát, amely a térnek valamilyen általános, de eddig nem értett sajátsága. A jelenség annyira rejtélyes, hogy ma még azt is nehéz megbecsülni, hogy belátható időn belül kiderül-e, mi is valójában. A sötét anyag és energia, valamint a "normál" anyag arányát a jobb oldali ábra mutatja.

Forrás: [origo]

Jelenleg három fő elgondolás létezik a sötét energia magyarázataként: lehet egy korábban ismeretlen kölcsönhatás, azaz erő, amit kvintesszenciaként említenek. Az is elképzelhető, hogy az üres térnek valamilyen furcsa jellemzője. De egyelőre még azt sem lehet kizárni, hogy a jelenség nem valódi, és egyelőre nem tudjuk még tökéletesen értelmezni a gravitáció pontos viselkedését az általános relativitáselmélet kereteiben.

Jelenleg a kutatók arra keresik a választ, hogy megértsék, miként változik a sötét energia előfordulása a térben - ez talán további támpontot ad a jelenség hátterének megértéséhez. Egyrészt még pontosabban fel akarják térképezni az Univerzum tágulását, főleg az Ia típusú szupernóva-robbanások pontosabb megfigyelésével. Egy másik módszerrel pedig azt elemzik, miként befolyásolja a sötét energia a legnagyobb képződmények kialakulását a Világegyetemben: hogyan vetélkedik egymással a széthúzásra hajló sötét energia és a dolgokat összetartó gravitáció a nagy galaxishalmazok esetében.

A fentiek érdekében indult el a sötét energia felmérése (DES, Dark Energy Survey), amely 120 kutató munkáját fogja össze. A szakemberek a chilei 4 méteres Blanco-távcsővel 200-300 millió galaxist akarnak katalogizálni, 100 ezer galaxishalmazt felmérni és közel 4000 ősi szupernóvát azonosítani. Az Európai Űrügynökség Euclid nevű űrtávcsöve a 2010-es évtized végétől fog megfigyeléseket végezni az űrből, a sötét energia létének megfejtése céljából.

Képek összeolvadó galaxisokról