Proč se vesmír rozšiřuje akcelerující rychlostí a šíří svůj obsah po stále větších dimenzích vesmíru? Původní řešení této hádanky, určitě nejvíce fascinující otázka v moderní kosmologii, předložili čtyři teoretičtí fyzici Edward W. Kolb z amerického ministerstva energetiky Fermi National Accelerator Laboratory, Chicago (USA): Sabino Matarrese z University of University Padova; Alessio Notari z University of Montreal (Kanada); a Antonio Riotto z INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) z Padovy (Itálie). Jejich studie byla včera předložena časopisu Physical Review Letters.
Za posledních sto let byla expanze vesmíru předmětem vášnivé diskuse a zapojila nejoslnivější mysli tohoto století. Stejně jako jeho současníci si Albert Einstein zpočátku myslel, že vesmír je statický: že se ani nerozšiřoval, ani nezhazoval. Když jeho vlastní teorie obecné relativity jasně ukázala, že vesmír by se měl rozšířit nebo zkrátit, Einstein se rozhodl zavést do své teorie novou složku. Jeho „kosmologická konstanta“ představovala masovou hustotu prázdného prostoru, která nutila vesmír expandovat stále rostoucí rychlostí.
Když v roce 1929 Edwin Hubble dokázal, že vesmír se ve skutečnosti rozšiřuje, Einstein odmítl svou kosmologickou konstantu a označil ji za „největší omyl mého života“. Potom, téměř o století později, vzkříšili fyzikové kosmologickou konstantu ve variantě zvané temná energie. V roce 1998 pozorování velmi vzdálených supernov ukázala, že vesmír se rozšiřuje rychlostí. Tato zrychlující se expanze se zdála být vysvětlitelná pouze přítomností nové složky vesmíru, „temné energie“, představující přibližně 70 procent celkové hmotnosti vesmíru. Zbytek asi 25 procent vypadá, že je ve formě další záhadné složky, temné hmoty; zatímco jen asi 5 procent zahrnuje obyčejnou hmotu, tyto kvarky, protony, neutrony a elektrony, z nichž jsme my a galaxie vyrobeni.
„Hypotéza temné energie je nesmírně fascinující,“ vysvětluje Padova Antonio Riotto, „ale na druhou stranu to představuje vážný problém. Žádný teoretický model, ani nejmodernější, jako je supersymetrie nebo strunová teorie, není schopen vysvětlit přítomnost této tajemné temné energie v množství, které naše pozorování vyžaduje. Pokud by temná energie byla velikostí, kterou teorie předpovídají, vesmír by se rozšířil s tak fantastickou rychlostí, že by zabránilo existenci všeho, co v našem vesmíru známe. ““
Potřebné množství temné energie je tak obtížné sladit se známými přírodními zákony, že fyzikové navrhli všechny druhy exotických vysvětlení, včetně nových sil, nových rozměrů časoprostoru a nových ultralehkých elementárních částic. Nová zpráva však nenavrhuje žádnou novou ingredienci pro vesmír, pouze poznání, že současné zrychlení vesmíru je důsledkem standardního kosmologického modelu raného vesmíru: inflace.
„Naše řešení paradoxu, který představuje zrychlující vesmír,“ říká Riotto, „se spoléhá na tzv. Inflační teorii narozenou v roce 1981. Podle této teorie se vesmír prožil během nepatrné zlomky vteřiny po Velkém třesku neuvěřitelně rychlá expanze. To vysvětluje, proč se náš vesmír jeví jako velmi homogenní. Nedávno experimenty Boomerang a WMAP, které měřily malé fluktuace záření pozadí pocházejícího z Velkého třesku, potvrdily inflační teorii.
Obecně se věří, že během inflační expanze na počátku dějin vesmíru vznikly velmi malé vlnky v časoprostoru, jak předpovídá Einsteinova teorie obecné relativity. Tyto vlnky byly roztaženy expanzí vesmíru a dnes sahají daleko za náš kosmický horizont, to je přes oblast mnohem větší než pozorovatelný vesmír, vzdálenost asi 15 miliard světelných let. Ve své současné práci autoři navrhují, že právě vývoj těchto kosmických vln zvyšuje pozorované rozšíření vesmíru a odpovídá za jeho zrychlení.
"Uvědomili jsme si, že k Einsteinově obecné relativitě potřebujete jednoduše přidat tuto novou klíčovou složku, vlnky časoprostoru generované během epochy inflace, aby vysvětlili, proč se vesmír dnes zrychluje," říká Riotto. "Zdá se, že řešení hádanky zrychlení zahrnuje vesmír za naším kosmickým horizontem." Není potřeba žádná tajemná temná energie. “
Fermilabův Kolb nazval autorovy návrhy nejkonzervativnějším vysvětlením pro zrychlující vesmír. "Vyžaduje to pouze řádné vyúčtování fyzikálních účinků vlnky za naším kosmickým horizontem," řekl.
Data z nadcházejících experimentů umožní kosmologům tento návrh otestovat. "Zda měl Einstein pravdu, když poprvé představil kosmologickou konstantu, nebo zda měl pravdu, když později vyvrátil myšlenku, bude brzy testováno novým kolem přesných kosmologických pozorování," řekl Kolb. "Nová data nám brzy umožní rozlišovat mezi naším vysvětlením pro urychlené rozšíření vesmíru a řešením temné energie."
INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), italský národní institut jaderné fyziky, podporuje, koordinuje a provádí vědecký výzkum v oblasti jaderné a jaderné fyziky a astropartikulární fyziky a podílí se na vývoji příslušných technologií.
Fermilab, v Batavia, Illinois, USA, je provozován sdružením Universities Research Association, Inc. pro Department of Energy's Office of Science, který financuje pokročilý výzkum v částicové fyzice a kosmologii.
Původní zdroj: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
