Naukowcy podważają standardowy model kosmologii – nowa mapa Wszechświata ujawnia zmienną naturę ciemnej energii

Międzynarodowy zespół naukowców pracujących przy projekcie DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) właśnie zaprezentował najdokładniejszą trójwymiarową mapę Wszechświata, jaka kiedykolwiek powstała. To przełomowe osiągnięcie nie tylko dokumentuje położenie i właściwości 18,7 miliona obiektów kosmicznych, ale również dostarcza zaskakujących dowodów na to, że ciemna energia – tajemnicza siła odpowiedzialna za przyspieszającą ekspansję kosmosu – może ewoluować z czasem. To odkrycie stawia pod znakiem zapytania standardowy model kosmologii, którym fizycy posługują się od dziesięcioleci.

Ciemna energia pozostaje jedną z największych zagadek współczesnej nauki. Według aktualnych teorii stanowi aż 68% całkowitej energii Wszechświata, jednak jej prawdziwa natura wciąż pozostaje niepoznana. Standardowy model kosmologii, znany jako Lambda-CDM, opisuje ciemną energię jako niezmienną stałą kosmologiczną. Jednakże w ostatnich latach pojawiało się coraz więcej sprzeczności między przewidywaniami tego modelu a rzeczywistymi pomiarami, szczególnie dotyczącymi tempa ekspansji Wszechświata w różnych epokach kosmicznych.

Projekt DESI, rozpoczęty w 2021 roku, miał za zadanie rozwiązać te kosmiczne zagadki poprzez stworzenie bezprecedensowo dokładnej mapy rozmieszczenia galaktyk i kwazarów na przestrzeni 11 miliardów lat historii kosmosu. W tej monumentalnej pracy uczestniczy ponad 900 naukowców z ponad 70 instytucji badawczych z całego świata.

Sercem projektu jest zaawansowany przyrząd spektroskopowy DESI zainstalowany na 4-metrowym teleskopie Nicholasa Mayalla w Arizonie. Jego innowacyjność polega na systemie 5000 automatycznie wyrównujących się włókien światłowodowych. Każde z tych włókien, o grubości porównywalnej do ludzkiego włosa, jest precyzyjnie pozycjonowane przez siłowniki robotyczne, aby przechwytywać światło z pojedynczej galaktyki, kwazara lub gwiazdy.

Wydajność tego instrumentu jest imponująca – podczas jednej 20-minutowej ekspozycji DESI zbiera widma 5000 obiektów. W ciągu jednej nocy może wykonać nawet 15 takich cykli, co pozwala na analizę do 100 000 obiektów. Zebrane dane są następnie analizowane przy użyciu superkomputerów w Narodowym Centrum Superkomputerowym (NERSC), gdzie odległość do każdego obiektu określana jest z dokładnością do 0,1%.

Efektywność DESI najlepiej obrazuje porównanie z poprzednimi projektami. W pierwszym roku działalności instrument stał się największym badaniem spektroskopowym przesunięcia ku czerwieni w historii, zbierając w ciągu zaledwie miesiąca dane dotyczące ponad miliona obiektów. Dla porównania, poprzedni projekt, Sloan Digital Sky Survey (SDSS), potrzebował 25 lat, aby zgromadzić dane dotyczące dziewięciu milionów unikalnych obiektów.

Najnowsze wyniki obejmują dwa ogromne zestawy danych. Pierwszy z nich, oznaczony jako DR1, zawiera informacje zebrane podczas 13 miesięcy obserwacji: 13,1 miliona galaktyk, 1,6 miliona kwazarów i cztery miliony gwiazd. Łączna objętość tych danych wynosi 270 terabajtów, co stanowi 10-krotność ilości danych zgromadzonych w poprzedniej wersji. Mapa ta obejmuje okres od czasów współczesnych do epoki, gdy Wszechświat liczył zaledwie 2,5 miliarda lat.

Drugi zestaw danych, DR2, jeszcze bardziej rozszerzył tę mapę, dodając kolejne 14 milionów galaktyk i kwazarów. W ramach tych badań naukowcy zmierzyli tzw. barionowe oscylacje akustyczne (BAO) – swoiste "odciski palców" pozostawione przez fale dźwiękowe z wczesnego Wszechświata. Te struktury, rozciągające się na skalę 500 milionów lat świetlnych, służą jako "linijka standardowa" do oszacowania tempa ekspansji kosmosu. Dokładność pomiarów BAO w ramach DR2 osiągnęła 0,65%, co stanowi dwukrotnie lepszy wynik niż w przypadku poprzednich projektów.

Najbardziej intrygujące wyniki pojawiły się, gdy naukowcy porównali dane DESI z obserwacjami kosmicznego promieniowania tła (CMB), supernowych i soczewkowania grawitacyjnego. Analiza wykazała, że wpływ ciemnej energii może z czasem słabnąć, co jest sprzeczne z założeniami standardowego modelu kosmologii. Łączna analiza wykazała odchylenia od modelu Lambda-CDM na poziomie 4,2 sigma – to wartość bliska progowi pięciu sigma, który w fizyce uznawany jest za złoty standard potwierdzający nowe odkrycie.

Należy podkreślić, że opublikowane dane stanowią jedynie niewielką część tego, co ostatecznie przyniosą wyniki badań DESI. Mimo to, zawierają już ponad dwukrotnie więcej obiektów pozagalaktycznych niż wszystkie poprzednie badania trójwymiarowe razem wzięte. Projekt będzie kontynuowany do 2026 roku, a naukowcy planują zwiększyć próbkę do imponującej liczby 50 milionów obiektów.

Jeśli zaobserwowana tendencja się potwierdzi, będzie to oznaczać konieczność rewizji standardowego modelu kosmologii, co mogłoby doprowadzić do przełomu w naszym rozumieniu fundamentalnych praw rządzących Wszechświatem. Zmienność ciemnej energii sugerowałaby istnienie nowych, nieznanych dotąd mechanizmów fizycznych, które mogłyby znacząco zmienić nasze postrzeganie ewolucji kosmosu i jego ostatecznego losu.

Projekt DESI nie tylko dostarcza nam najbardziej szczegółowego obrazu struktury Wszechświata, jaki kiedykolwiek posiadaliśmy, ale również może prowadzić do rewolucji w naszym rozumieniu jego fundamentalnych właściwości. To doskonały przykład tego, jak zaawansowana technologia i międzynarodowa współpraca naukowa mogą przesuwać granice ludzkiej wiedzy, stawiając przy tym nowe, fascynujące pytania o naturę rzeczywistości, w której żyjemy.