Zatímco po desetiletí vědci věřili, že se vesmír rozpíná stále rychleji, nová studie naznačuje opak: expanze už možná zpomaluje a temná energie slábne. Pokud se to potvrdí, čeká moderní kosmologii zásadní přehodnocení.
Již více než 25 let je myšlenka, že se vesmír rozpíná stále rychleji, jedním z pilířů moderní kosmologie. Tento závěr, oceněný v roce 2011 Nobelovou cenou za fyziku, vycházel z pozorování supernov typu Ia – hvězdných explozí tak jasných a rovnoměrných, že byly používány jako standardy pro měření kosmických vzdáleností – a poukazoval na tajemnou sílu, která ovládá téměř 70 % energie ve vesmíru: takzvanou temnou energii.
Úvaha byla v podstatě jednoduchá: pokud má supernova typu Ia vždy stejnou vnitřní jasnost, pak čím slabší ji vidíme, tím je vzdálenější. Porovnáním vzdálenosti (odvozené z její jasnosti) s červeným posuvem jejího světla – tedy s tím, jak moc se její vlnová délka roztáhla vlivem rozpínání vesmíru – dospěli astronomové koncem 90. let minulého století k závěru, že vzdálené supernovy jsou příliš slabé. Jediným rozumným vysvětlením se zdálo být, že se vesmír v posledních miliardách let rozpínal stále rychleji.
Nedávná studie však toto paradigma zpochybňuje a naznačuje, že rozpínání vesmíru se možná nezrychluje právě nyní, ale již se začalo zpomalovat. Tento posun v perspektivě nejen otřásá základy našeho kosmologického chápání, ale otevírá jedinečný prostor pro nové a hlubší zkoumání podstaty temné energie a temné hmoty.
Související článek
Studie publikovaná v Monthly Notices of the Royal Astronomical Society vychází z kritického výkladu toho, jak se supernovy používají k měření rozpínání vesmíru. Tým vedený profesorem Young-Wookem Leem z Yonsei University v Jižní Koreji upozornil, že předpoklad, že všechny supernovy typu Ia září se stejnou intenzitou (základ pro jejich použití jako standardních svíček), může být zkreslen věkem progenitorových hvězd. I po standardizaci jejich jasnosti se supernovy pocházející z mladších hvězdných populací jeví slabší, zatímco supernovy ze starších hvězd jasnější.
Pro pochopení významu této nuance je užitečné si připomenout, co přesně supernova typu Ia je. Nejrozšířenějším vysvětlením je, že se jedná o bílého trpaslíka – horké, husté jádro, které zůstalo po smrti hvězdy podobné Slunci – který ukradl hmotu z průvodní hvězdy nebo se spojil s jiným bílým trpaslíkem. Když překročí kritickou hranici hmotnosti (tzv. Chandrasekharovu mez), stane se bílý trpaslík nestabilním a katastrofálně exploduje. Při této explozi se téměř ve všech případech uvolní velmi podobné množství energie, což z nich činí vynikající „kosmické žárovky“ pro měření vzdáleností.
Ne všichni bílí trpaslíci však mají stejnou historii. Někteří pocházejí z mladých hvězdných populací bohatých na plyn a prach, kde probíhá intenzivní tvorba hvězd. Jiní pocházejí ze starých populací, jako jsou centrální výduti galaxií nebo kulové hvězdokupy, kde se nové hvězdy téměř nerodí. Práce Leeho a jeho spolupracovníků naznačuje, že tento věkový rozdíl zanechává jemný, ale důležitý otisk na konečné jasnosti supernov, a to i po použití standardních korekcí používaných v kosmologii.
Podle Leeova týmu tento systematický efekt významně mění kosmologická měření. Když opraví data supernov o toto zkreslení související s věkem, pozorování již neodpovídají standardnímu kosmologickému modelu, který kombinuje chladnou temnou hmotu a kosmologickou konstantu jako vysvětlení temné energie, a místo toho jsou více konzistentní se scénářem, ve kterém se rozpínání vesmíru přestalo zrychlovat a vstoupilo do fáze zpomalování.
„Naše studie ukazuje, že vesmír již v současné době vstoupil do fáze zpomaleného rozpínání a že temná energie se v průběhu času vyvíjí mnohem rychleji, než se dosud předpokládalo,“ uvedl Lee ve svém prohlášení. „Pokud se tyto výsledky potvrdí, bude to znamenat změnu paradigmatu v kosmologii, jaká tu nebyla od objevu temné energie před 27 lety.“
Toto prohlášení je natolik přímočaré, že si zaslouží být uvedeno do souvislostí. Současný standardní kosmologický model, známý jako ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter), předpokládá, že temná energie je kosmologická konstanta: forma energie vakua, která se nemění s časem a vyvíjí záporný tlak, čímž tlačí prostor ke stále rychlejšímu rozpínání. V tomto rámci roste parametr popisující rozpínání, tzv. faktor měřítka, zrychlujícím se tempem a vesmír směřuje k budoucímu věčnému rozpínání.
Leeho práce navrhuje něco jiného: temná energie není konstantní, ale vyvíjí se v čase. Technicky to znamená, že stavový parametr temné energie (w) se mění s kosmickou epochou, místo aby zůstával pevný na hodnotě w = -1, jak to vyžaduje kosmologická konstanta. Pokud se w s časem zvyšuje (tj. pokud temná energie slábne), rozpínání se může přestat zrychlovat a dokonce se může začít zpomalovat.
Tento druh myšlenky není zcela nový. Některé teoretické modely – například modely kvintesence, které popisují temnou energii jako dynamické pole podobné inflatonu raného vesmíru – již před lety naznačovaly, že by se temná energie mohla měnit s časem. Novinkou je, že samotná pozorování supernov, korigovaná s ohledem na stáří jejich původců, se zdají ukazovat tímto směrem.
Moderní kosmologie se však nespoléhá pouze na supernovy. Další pozorované „stavební kameny“, jako je kosmické mikrovlnné pozadí (fosilní záření velkého třesku) a velkorozměrová struktura galaxií, také naznačují, že se rozpínání v posledních miliardách let zrychlilo. Mise jako WMAP a Planck změřily vlastnosti tohoto záření pozadí s velkou přesností a jejich výsledky velmi dobře odpovídají vesmíru, v němž dominuje konstantní temná energie.
Mnozí kosmologové proto novou studii vítají se směsicí zájmu a opatrnosti: je možné, že nás supernovy „podváděly“ kvůli věkovému zkreslení, které jsme nebrali v úvahu? Nebo se jedná o napětí mezi různými typy pozorování, která by mohla odhalit novou fyziku? Někteří vědci poukazují na to, že jiné soubory dat o supernovách, například z projektu Dark Energy Survey, zatím nenalezly jasné důkazy o nedávném zpomalení, ačkoli zjistily drobné nesrovnalosti s modelem ΛCDM, o nichž se stále diskutuje.
V každém případě přichází Leeova studie v obzvláště zajímavém čase. Kosmologie již léta žije dalším velkým napětím: takzvaným „Hubbleovým napětím“, tedy nesouladem mezi hodnotou Hubbleovy konstanty (současnou rychlostí rozpínání vesmíru) měřenou z kosmického mikrovlnného pozadí a hodnotou získanou z lokálních pozorování, jako jsou supernovy a cefeidy. Zatímco údaje z Plancku ukazují na hodnotu přibližně 67 km/s/Mpc, lokální měření, jako například měření týmu SH0ES pod vedením Adama Riesse, se pohybují kolem 73 km/s/Mpc. Tento přetrvávající a statisticky významný rozdíl vedl některé fyziky k domněnce, že model ΛCDM může být neúplný.
V této souvislosti možnost, že se temná energie v průběhu času vyvíjí a že expanze již není zrychlená, přidává další dílek do skládačky, která se zdaleka neuzavírá, ale zdá se být stále složitější.
Jedním z nejzajímavějších kousků této skládačky je to, co nás čeká. O tom, jak se bude vyvíjet vesmír, nám napoví Vera C. Rubin Observatory. Tato nejvýkonnější observatoř s digitální kamerou, jaká kdy byla postavena, se chystá změnit náš pohled na hlubokou oblohu.
Tento dalekohled, který se nachází v Chile, bude hostit projekt LSST (Legacy Survey of Space and Time), bezprecedentní mapování jižní oblohy, které se bude opakovat každých několik nocí po dobu nejméně deseti let. Jeho kamera s rozlišením 3 200 megapixelů – největší, jaká kdy byla postavena pro optickou astronomii – bude detekovat extrémně slabé a přechodné objekty, jako jsou supernovy, vzdálené asteroidy a záblesky záření gama.
„Během příštích pěti let objeví Vera C. Rubin Observatory více než milion objektů. Rubinova observatoř objeví více než 20 000 nových galaxií hostících supernovy, umožní přesná měření stáří mnohem silnější a definitivnější test kosmologie založené na supernovách,“ uzavírá Cul Chung, spoluautor studie.
Tato tsunami dat nejen posílí nebo vyvrátí současné závěry, ale bude také klíčem k pochopení dvou největších hádanek moderní fyziky: povahy temné energie a úlohy temné hmoty ve vývoji vesmíru.
Kromě Rubina budou hrát klíčovou roli i další projekty, které již probíhají nebo se chystají začít. Vesmírný teleskop NASA Nancy Grace Roman, jehož výstavba je plánována na konec tohoto desetiletí, je speciálně navržen ke studiu temné energie prostřednictvím supernov, gravitačního čočkování a akustických oscilací baryonů. Evropská mise Euclid, která bude vypuštěna v roce 2023, již mapuje rozložení galaxií a deformaci jejich obrazů vlivem gravitace, aby bylo možné rekonstruovat vývoj kosmické expanze v čase.
Pokud jsou Leeho výsledky správné, měly by tyto observatoře detekovat konzistentní signály: změnu nedávné rychlosti rozpínání a temnou energii, která v čase slábne. Pokud naopak nová data potvrdí model ΛCDM, bude nutné předpokládané zkreslení stáří supernov revidovat nebo nově interpretovat. V obou případech zvítězí věda: buď objevíme novou fyziku, nebo dále zdokonalíme naše nástroje pro měření vesmíru.
Zajímavým důsledkem je, že pokud se rozpínání bude nadále zpomalovat, osud vesmíru by mohl být velmi odlišný od současného převládajícího scénáře (tzv. velké zamrznutí, kdy se vesmír rozpíná donekonečna, dokud se veškerá energie nerozředí). V nejhorším případě by pokračující zpomalování mohlo dokonce vést k případnému návratu, postupnému smršťování, které některé teoretické modely popisují jako Velkou krizi.
Ve scénáři Velkého zmrazení by se vesmír rozpínal navždy. Galaxie by se od sebe vzdalovaly, až by se izolovaly v oceánu prázdnoty, hvězdám by došlo palivo a vesmír by pomalu vychladl do temného, téměř prázdného místa. Byl by to pomalý a tichý konec.
Naproti tomu Velký křach je dramatický konec: pokud by převládla gravitace (nebo temná energie, která změní znaménko z odpudivé na přitažlivou), rozpínání by se zpomalilo, zastavilo a obrátilo. Galaxie by se začaly přibližovat k sobě, hustota a teplota vesmíru by se zvýšily a ve velmi vzdálené budoucnosti by se celý vesmír mohl zhroutit zpět do extrémně hustého a horkého stavu, možná podobného tomu, který dal vzniknout Velkému třesku. Některé spekulativní modely jdou ještě dále a předpokládají cyklický vesmír, v němž Velký třesk a Velký křach následují po sobě v posloupnosti kosmických „odrazů“.
Existuje dokonce i třetí scénář, Velký roztrh, v němž by temná energie postupem času sílila a sílila (w < -1). V takovém případě by zrychlující se rozpínání nakonec roztrhalo nejprve kupy galaxií, pak galaxie, pak sluneční soustavy a dokonce i atomy. Leeova studie tím, že naznačuje slábnoucí temnou energii, ukazuje opačným směrem než tento extrémní scénář.
Je třeba zdůraznit, že i kdyby vesmír již začal zpomalovat svou expanzi, není důvod k okamžitému znepokojení. Změny ve vesmírné dynamice probíhají v časovém měřítku miliard let, tedy daleko za horizontem lidského poznání. V sázce není naše blízká budoucnost, ale naše hluboké pochopení fungování vesmíru.
Celkově lze říci, že příštích pět let bude pro pozorovací kosmologii zlatým věkem. S desítkami tisíc nových supernov na obzoru budou vědci možná konečně schopni rozluštit, zda žijeme ve vesmíru, který se stále rozpíná, poháněn konstantní temnou energií, nebo zda tato tajemná síla naopak slábne, což otevře zcela novou kapitolu v našem chápání vesmíru.
Mezitím vědecká obezřetnost velí: jediná studie, jakkoli sugestivní, nestačí k tomu, aby zbořila teoretickou stavbu postavenou na desetiletích nezávislých pozorování. Může však zažehnout jiskru pochybností a spolu s ní podnítit nová měření, nové analýzy a nové myšlenky. A ve vědě je tento plodný nepříjemný pocit – pocit, že něco možná tak docela nesedí – často předehrou k těm nejzásadnějším objevům.