Ani 100 let po objevu rozpínání vesmíru si stále nejsme jisti, jak rychle se rozpínání v současnosti odehrává. Pokud se podíváme na různá pozorování, zjistíme, že mezi vědci nepanuje shoda. Jakou roli hraje v rozpínání kosmologická konstanta, která se ve vysvětlení rozpínání opakovaně objevovala a zase mizela?
V loňském roce zveřejnili vědci, zapojení do projektu Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), analýzu založenou na spektrech milionů galaxií a kvazarů, která ukázala, že nejjednodušší model rozpínajícího se vesmíru, model studené temné hmoty s kosmologickou konstantou, nemusí být úplně správný. Tento výsledek potvrdila aktualizovaná analýza z letošního roku.
Mohli bychom říct, že moderní kosmologie začala, když Albert Einstein použil svou obecnou teorii relativity k vytvoření modelu stacionárního (neměnného) vesmíru v roce 1917. Očekával, že gravitační pole by mělo být určeno střední hustotou hmoty ve vesmíru, o níž se rovněž předpokládalo, že je neměnná.
Einstein ovšem zjistil, že jeho původní formulace teorie relativity je neslučitelná s takovými úvahami, a to ho vedlo ke „zobecněné úpravě rovnic gravitačního pole“. Do rovnic teorie přidal nový „kosmologický člen“, pro který zvolil řecké písmeno lambda (λ). Po jeho přidání bylo možné vytvořit stacionární vesmír a v novém modelu byla lambda konstantním parametrem zobecněné teorie.
Rozpor s Einsteinovým názorem o statickém vesmíru
Willem de Sitter velmi záhy zjistil, že tato zobecněná teorie s lambdou umožňuje jiný typ vesmíru, který neobsahuje vůbec žádnou hmotu a místo toho se exponenciálně rozpíná zrychleným tempem.
Následně vytvořil fyzik Alexandr Friedmann a nezávisle na něm kosmolog Georges Lemaître model celého vesmíru založeného na tzv. „kosmologickém principu“. Ten zjednodušeně řečeno popisuje, že by se měl vesmír jevit ze všech pozorovacích bodů a ve všech směrech stejně. Tedy, že by se měl obecně rozpínat nebo smršťovat v závislosti na množství přítomné hmoty a hodnotě lambdy. Tato teorie ovšem byla v příkrém rozporu s Einsteinovým názorem.
Jasný důkaz o tom, že se vesmír skutečně rozpíná, předložil v roce 1929 astronom Edwin Hubble, který současně předložil odhad, jak rychle rozpínání probíhá.
Einsteinův největší omyl
Hubbleův objev přiměl Einsteina zcela opustit kosmologickou konstantu lambda, protože ji považoval za zbytečnou složku a podle George Gamowa ji označil za „největší omyl svého života“.
Einstein mohl předpovědět rozpínání vesmíru již před Friedmanem a Lemaîtrem, kdyby se držel své původní formulace teorie relativity bez lambdy. Kdyby však zároveň ponechal lambdu jako parametr, který se má měřit pozorováním, mohl také o několik desetiletí předejít jejímu modernímu začlenění do fyziky.
V polovině 80. let 20. století začalo být zřejmé, že hustota hmoty měřená prostřednictvím bohatých kup galaxií představuje jen asi 30 % toho, co by se dalo odvodit z tehdy naměřené hodnoty rychlosti rozpínání vesmíru. Jak ale vysvětlit zbývajících 70 %? Bylo měření správné? Bylo možné nalézt více hmoty?
Návrat kosmologické konstanty a Nobelova cena 2011
V roce 1991 George Efstathiou, Will Sutherland a John Maddox navrhli, že v měření hustoty hmoty není žádná chyba a že zbývajících 70 % musí odpovídat lambdě. Tato myšlenka byla v rozporu s tehdejším očekáváním, nicméně v roce 1998 dvě nezávislé skupiny změřily, jak rychle se vesmír rozpínal v různých okamžicích své nedávné historie a zjistily, že pro vysvětlení jejich údajů je skutečně nutná lambda kolem 70 %. Za tento objev získali jejich vedoucí Saul Perlmutter, Adam Riess a Brian Schmidt v roce 2011 Nobelovu cenu za fyziku. Kosmologická konstanta se vrátila zpět.
V tomto okamžiku se do výzkumu zapojili teoretici. Ti totiž řeší problém, že hodnota, kterou lambda musí mít, abychom mohli vysvětlit pozorování, je nepatrná. Dokonce je o několik řádů menší, než jaká by podle současných teorií měla být.
Teoretici si tedy položili otázku: Je možné, že lambda je ve skutečnosti nulová? Jak ale vysvětlíme údaje o rozpínajícím se vesmíru? Možná pak existuje jiná energie, která se mění v čase a není konstantní.
O třicet let později stále nevíme, zda tomu tak je, a tento typ energie se z nedostatku lepšího pojmenování nazývá „temná energie“. Možná, že nejnovější výsledky z DESI odrážejí první důkazy pro dynamickou temnou energii a proti kosmologické konstantě. Anebo je zde příliš mnoho nejistoty a lepší pozorování očekávaná v příštích pěti letech by mohla kosmologickou konstantu ještě potvrdit. To ukáže čas.
Autor: Constantinos Skordis, Petra Köppl
Zdroj: Fyzikální ústav AV ČR
CEICO a Fyzikální ústav Akademie věd České republiky si vás dovolují srdečně pozvat na veřejnou přednášku na téma: Tajemství temné energie: Proč se vesmír stále zrychluje? Přednáška profesora Bharata Ratry, nositele Lilienfeldovy ceny Americké fyzikální společnosti za rok 2025 se koná 15. května 2025 od 19:00 v Městské knihovně, Mariánské nám. 1, Praha 1
Vstup zdarma – rezervace nutná
Jazyk přednášky: angličtina
Bharat Ratra představí záhadný svět temné energie a temné hmoty, které tvoří 95 procent vesmíru. Právě temná energie je považována za nejpravděpodobnější příčinu rozpínání vesmíru. Dozvíte se, jak vznikl standardní kosmologický model, který popisuje vývoj vesmíru od jeho počátků až po dnešní složitou strukturu zahrnující galaxie a kupy galaxií.
- Autor článku: ne
- Zdroj: Akademie věd ČR
