Tmavá energia - kozmologická ilúzia?

Existencia a povaha tmavej energie patrí medzi najdôležitejšie otázky súčasnej kozmológie. Nutnosť zavedenia tohto exotického parametra do teórií však môže pripomínať snahu dávnych astronómov o zladenie vtedajších pozorovaní pohybu planét s geocentrickou predstavou výnimočného postavenia Zeme vo vesmíre zavádzaním zložitých predpokladov (epicyklov). Veda má však svoj zvláštny zmysel pre humor, pretože po takmer pol tisícročí sa situácia obrátila - musíme zavádzať zložité predpoklady, len aby sme udržali predstavu nevýnimočného postavenia Zeme vo vesmíre. Nové objavy preto opätovne vnukli vedcom myšlienku, ktorú zavrhli pred dlhými 450 rokmi v časoch Mikuláša Kopernika - čo ak postavenie Zeme vo vesmíre je predsa len výnimočné? Poďme sa pozrieť na túto aktuálnu tému podrobnejšie.

Úvod

Budhistickí mnísi už dve a pol tisícročia tvrdia zdanlivo absurdnú ideu, že svet je iba ilúziou. Paradoxne, z fyzikálneho pohľadu je tento názor úplne korektný - naše informácie o svete sú totiž vždy iba sprostredkované našimi (nedokonalými) biologickými zmyslami či vedeckými prístrojmi, vnímajúcimi fyzikálne alebo chemické častice (fotóny, molekuly a podobne). Svet si následne len interpretujeme na základe generovaných impulzov a signálov, je to teda len sprostredkovaný obraz, podobne ako obraz v televízore. Kvalita televízneho obrazu závisí od použitého prístroja, jeho technických parametrov či opotrebovania. Každý televízor teda prináša inú interpretáciu reality, ale ani v jednom nikdy neuvidíme realitu samotnú, obraz vždy zostane len obrazom.

Podobne ani naše zmysly - a analogicky pre vedcov ich prístroje - neuvidia "Realitu" samotnú, vždy uvidia len prichádzajúce častice, ktoré nám o tejto realite prinášajú neúplné informácie. Realita teda síce existuje, avšak my ju nikdy nevidíme takú aká v skutočnosti je - vždy si len skladáme mozaiku spoliehajúc sa na to, že máme dostatok presných informácií. Preto je pre nás Realita len ilúziou, napriek tomu, že v bežnom pozemskom živote je spoľahlivosť a konzistentnosť interpretácie nášho okolia veľmi vysoká (kvantová fyzika priviedla fakt iluzórnosti sveta do dokonalosti, avšak v rámci zachovania stručnosti tohto článku nebudeme zachádzať do podrobností).

Tmavá energia

V poslednom období bolo uvedených do prevádzky niekoľko moderných automatických ďalekohľadov, ktoré dokázali objavovať veľké množstvo supernov (explózií v záverečnej fáze vývoja hviezd). Jeden z typov tohto výbuchu má vždy rovnakú jasnosť, vďaka čomu štúdiom jeho svetla dokážeme zistiť, v akej vzdialenosti sa nachádza a takisto aj ako rýchlo sa od nás vzďaľuje. Z týchto pozorovaní prekvapujúco vyplynulo, že vzdialené supernovy sa javia slabšie ako sa očakávalo, na základe čoho vedci prišli k záveru, že vesmír sa prvých sedem miliárd rokov vo svojom rozpínaní spomaľoval, avšak posledných sedem miliárd rokov sa jeho rozpínanie zase zrýchľuje. Podľa štandardnej kozmológie jediným vysvetlením je existencia ohromnej odpudivej energie, ktorá toto zrýchľovanie spôsobuje. Podľa najnovších pozorovaní družice WMAP tvorí táto energia až 74 percent celkovej hmotnosti vesmíru. Značne nezvyčajná a prekvapujúca predstava. Je teda na mieste otázka - nepodliehajú naše pozorovania ilúzii?

Vždy pochybuj, vždy preveruj

Správny vedec musí byť nepolepšiteľným skeptikom a každé tvrdenie či názor musí preveriť zo všetkých možných strán až pokiaľ experiment jednoznačne nevylúči akékoľvek alternatívne vysvetlenie. A vedci nielenže našli alternatívne vysvetlenie pozorovaných faktov pre vzdialené supernovy, ale táto nová hypotéza je dokonca jednoduchšia než štandardná kozmológia. Pointa spočíva v jednoduchej idei, že naše miesto vo vesmíre je výnimočné. V tom sa zásadne líši od štandardnej kozmológie, ktorá je naopak založená na dôležitom a základnom pilieri, že naše miesto vo vesmíre je úplne náhodné a rovnocenné s ostatnými, inými slovami nie sme vôbec vo výnimočnej časti vesmíru (fyzikálne a málo zrozumiteľne to nazývame izotropnosť a homogénnosť vesmíru). Na základe toho aj interpretujeme pozorované príliš rýchle pohasínanie vzdialených supernov ako efekt zrýchľujúceho sa rozpínania vesmíru vplyvom akejsi tmavej gravitačne odpudivej energie.

Obr. 1: Pojmy homogénnosť a izotropnosť ľahko pochopíme na názornej ukážke. Obrázok vľavo predstavuje izotropný vesmír, v ktorom pozorovateľ nachádzajúci sa v strede pozoruje vo všetkých smeroch rovnorodé rozmiestnenie hmoty napriek tomu, že nie je v jeho oblasti rovnomerne rozložená. Obrázok je zjednodušený, avšak situáciu môžeme prirovnať aj k hustému lesu, kde pozorovateľ vidí vo všetkých smeroch rovnomerne rozmiestnené kmene stromov - to však neznamená, že hustota kmeňov v jeho blízkom okolí je rovnaká ako ich hustota o sto metrov ďalej, kam už nedovidí. Ilustrácia vpravo zodpovedá homogénnemu vesmíru, v ktorom pozorovateľ pozoruje rovnorodé rozmiestnenie hmoty vo všetkých smeroch bez ohľadu na miesto, v ktorom sa nachádza. Pre oboch pozorovateľov teda vesmír vyzerá zdanlivo rovnako, aj keď je medzi nimi diametrálny rozdiel. (Zdroj: Universe Adventure)

Avšak veda zatiaľ nedokázala, že daný pilier naozaj platí. Žiadne pozorovania jednoznačne nepotvrdzujú, že vesmír je skutočne homogénny, je to len náš predpoklad, a je teda možné, že sa vôbec nenachádzame v obyčajnom priemernom mieste nášho vesmíru. Nevyplýva to dokonca - ako by si človek na prvý pohľad mohol myslieť - ani z homogenity reliktného žiarenia. Skutočný vesmír je totiž väčší ako pozorovateľný (a reliktné žiarenie indikuje iba homogenitu nášho pozorovateľného vesmíru), ale predovšetkým môžeme podliehať v obrázku č.1 zmieňovanej ilúzii homogenity, ktorá však znamená len izotropnosť.

Obr.2:  Vďaka inflačnému rozpínaniu vesmíru na jeho počiatku sa jeho časti vzďaľovali od seba rýchlejšie ako svetlo. Nie je to vôbec v rozpore s Einsteinovou teóriou relativity, ako by sa mohlo na prvý pohľad zdať. Tá hovorí, že rýchlosť svetla je konečná iba pre objekty a častice, avšak nie pre časopriestor samotný. To, čo teória relativity v skutočnosti hovorí je, že medzi dvoma oblasťami časopriestoru, ktoré sa od seba vzďaľujú rýchlejšie než svetlo, nemôže dôjsť k žiadnej výmene informácie a signálov, čiže ani svetla. Znamená to teda, že také dve oblasti vesmíru o sebe nič nevedia, a nemôžu nijako komunikovať, ani sa navzájom pozorovať. Pojem “pozorovateľný vesmír” označuje tú časť nášho vesmíru, z ktorej k nám od jeho vzniku už stihlo doraziť svetlo (keďže po inflácii sa už rozpínal rýchlosťou menšou ako rýchlosť svetla), a ktorú teda už môžeme pozorovať. Táto pozorovateľná časť vesmíru (na obrázku označená žltou kružnicou) je však iba malou časťou celého vesmíru, v ktorom sa nachádzame. Vesmír ako celok stále môže byť homogénny, len s lokálnymi rovnomerne rozmiestnenými nerovnorodosťami. Žiaden vedecký experiment ani poznatok v súčasnosti nevylučuje možnosť, že náš pozorovateľný vesmír leží práve v jednej z lokálnych nízkohustotných oblastí celého vesmíru. (Zdroj: Cardiff University (UK), Planck mission, editovaný)

Život v prázdnote

Ako už vyplynulo z predchádzajúceho textu, na vytvorenie ilúzie homogénnej oblasti vesmíru stačí, aby sa naša Galaxia nachádzala blízko stredu oblasti s nižšou hustotou, tak ako je to znázornené na obrázku 2. Oblasti, ktorej rozmer je porovnateľný či väčší než veľkosť pozorovateľného vesmíru. Ak sme blízko stredu takejto oblasti, tak sa nám vesmír javí izotropný (to znamená rovnaký vo všetkých smeroch - pretože sme práve v strede danej oblasti), ale pritom nie je homogénny, konkrétne jeho hustota vo vzdialených častiach vesmíru je väčšia než v našej časti vesmíru. Následkom nerovnomerného rozmiestnenia hmoty vzniká lokálne zakrivenie časopriestoru, pričom práve toto zakrivenie spôsobuje ilúziu zrýchľovania vzdialených častí vesmíru a teda aj ilúziu existencie tmavej energie. Je to akoby sme sa pozerali na vesmír cez veľkú gravitačnú šošovku zakrivujúcu dráhu fotónov, ktoré k nám prichádzajú z oblasti za šošovkou.

Obr.3: Ilustrácia skreslenia spôsobeného našou polohou v lokálnej oblasti s menšou hustotou: horná časť obrázku znázorňuje homogénny vesmír, v ktorom by za predpokladu jeho spomaľujúceho sa rozpínania niektoré pozorované supernovy mali byť mimo pozorovateľnej oblasti (a teda na ich pozorovanie potrebujeme predpoklad zrýchľujúcej sa expanzie, spôsobenej tmavou energiou). Spodná časť obrázku predstavuje vesmír, ktorý sa nachádza v oblasti s menšou hustotou hmoty. Menšia hustota hmoty znamená menšiu gravitáciu a teda aj rýchlejšie rozpínanie lokálnej oblasti v porovnaní so vzdialenejšími oblasťami vesmíru, a rovnako znamená aj menšiu deformáciu časopriestoru. Nerovnomerne zakrivený časopriestor spôsobuje ohyb fotónov prichádzajúcich zo vzdialenejších častí pozorovateľného vesmíru, následkom čoho sa nám vzdialenejší vesmír zdanlivo javí menej priestranný ako v skutočnosti je, podobne akoby sme sa pozerali cez "gravitačný ďalekohľad" či "gravitačné dioptrické okuliare". Na vysvetlenie pozorovaní vzdialených supernov v takomto prípade nepotrebujeme predpoklad zrýchľujúceho sa rozpínania vesmíru a ani existenciu temnej energie. (Zdroj: Universe Review)

Uvedená situácia nie je vôbec nepravdepodobná. Naša Galaxia dokonca nemusí byť presne v strede daného priestoru s nižšou hustotou. Na vysvetlenie pozorovaného zrýchľovania expanzie vesmíru postačuje, aby sme boli zhruba 50 miliónov svetelných rokov od stredu dutiny (pre porovnanie - vzdialenosť Veľkej galaxie v Androméde je približne 2.5 milióna svetelných rokov, leží teda dvadsaťkrát bližšie, teda aj prípadní pozorovatelia v danej galaxii i v mnohých ďalších by podliehali rovnakej ilúzii ako my). Dokonca takáto výchylka má podporu aj v údajoch z teploty reliktného žiarenia - je totiž pozorovaná jeho plynulá smerová disproporcia, ktorá je v súčasnosti vysvetľovaná pohybom Zeme voči pozadiu reliktného žiarenia, avšak rovnako to môže byť aj prejav mierneho vychýlenia Galaxie od centra dutiny. Experimentálne dáta zatiaľ neumožňujú rozhodnúť medzi týmito dvoma interpretáciami (aj keď v roku 2011 sa o to vedci pokúsili prostredníctvom Hubblovho kozmického teleskopu) - bude to možné až vďaka presnejším meraniam zmien rýchlosti rozpínania a ďalších pozorovateľných parametrov. NASA schválila na tento účel vypustenie sondy WFIRST (Wide-Field Infrared Survey Telescope). Dôsledky potvrdenia umiestnenia našej Galaxie v časti vesmíru s menšou hustotou by boli - povedané bez zveličenia - revolučné, tak ako bolo revolučné poznanie, že Slnko neobieha okolo Zeme ale naopak.

Naozaj je to všetko tak?

Žijeme teda vo veľmi vzrušujúcej dobe, keď naše prístroje a následne teoretickí fyzici a kozmológovia pomáhajú odpovedať na dôležitú otázku - v akom svete žijeme? Niekedy sa ukáže, že sa teórie a hypotézy mýlili, alebo experimenty boli nesprávne interpretované. Je to prirodzená súčasť vedeckého bádania, a práve to je na vede dobrodružné. Okrem vylúčenia či potvrdenia existencie tmavej energie je aj možné, že pravda leží niekde uprostred - môže sa ukázať, že pozorovateľný vesmír síce leží v hustotnej anomálii, avšak rozdiel hustôt nebude postačovať na vylúčenie existencie tmavej energie, ale len zníži jej intenzitu a percento hmoty vesmíru, ktorú tvorí.

V každom prípade, aj po rozlúštení hádanky okolo tmavej energie nás budú čakať nemenej napínavé úlohy - v blízkej budúcnosti najmä presnejšie pozorovania reliktného mikrovlnného žiarenia (napr. európskou sondou Planck), a v dlhodobejšom horizonte predovšetkým výzva na detekciu reliktných neutrín či reliktných gravitačných vĺn, ktoré nesú odtlačok vesmíru starého len dve sekundy, resp. zlomky sekundy. Aj keď je možné, že táto úloha sa ukáže ako neuskutočniteľná, jedným si môžeme byť istí - pozorovanie a poznávanie vesmíru nám pripraví ešte mnoho strhujúcich prekvapení, ktoré budú smelo hraničiť či azda aj prekonávať i tie najodvážnejšie science fiction.

Autor: Juraj Kotulič Bunta, Ph.D

Literatúra pre podrobnejšie informácie:

Popularizačná:
Dark Energy: Is It Merely An Illusion?

Odborná:
Living in a Void: Testing the Copernican Principle with Distant Supernovae (základná verzia hypotézy)
The kSZ effect as a test of general radial inhomogeneity in LTB cosmology (článok pojednávajúci o ďalších merateľných parametroch a vylepšeniach hypotézy umožňujúcich rozlíšiť homogénny a nehomogénny vesmír)
Void or Dark Energy?