Vesmír sa skladá z bežnej hmoty, ktorej viac-menej rozumieme, z tmavej hmoty, o ktorej niečo aspoň tušíme, a z tmavej energie, o ktorej nevieme takmer nič. Pričom práve tmavá energia je vo vesmíre zastúpená najviac a má rozhodujúci vplyv na rýchlosť jeho rozpínania sa – a tým aj na jeho budúcnosť. Podstata tmavej energie nám uniká už vyše storočia.
Albert Einstein (1879 – 1955) ako prvý odvodil rovnice, ktoré prepojili zakrivenie časopriestoru s hmotou, ktorá sa v ňom nachádza. Jeho famózna teória priniesla geometrickú interpretáciu gravitácie. Teóriu sa pokúsil aplikovať na celý vesmír, s výsledkom však nebol spokojný. Rovnice mu hovorili, že vesmír by nemal byť nemenný – buď by sa mal rozpínať, alebo sťahovať. Do rovníc tak vložil člen, tzv. kozmologickú konštantu, ktorá vesmír zastabilizovala. Nešlo o úplne umelý zásah, tento člen do rovníc pasuje úplne prirodzene.
Einsteinova konštanta
Čoskoro sa však vďaka prácam Georgea Lemaîtra (1894 – 1966) či Edwina Hubbla (1889 – 1953) ukázalo, že vesmír sa predsa len rozpína. Kozmologická konštanta šla teda z rovníc preč a Einstein ju označil za veľkú chybu. Statický vesmír, ktorý vyšiel z rovníc, bol vratký – malá výchylka by ho vyhodila z rovnováhy a naštartovala buď kolaps, alebo rozpínanie. To však Einsteinovi uniklo a kozmologická konštanta šla na chvíľu bokom. Zo zásuvky ju vytiahli Alan Guth a Alexei Starobinsky, výskumníci zaoberajúci sa výskumom inflácie, teda prudkého rozpínania sa vesmíru tesne po veľkom tresku. Túto expanziu podľa nich poháňalo niečo podobné Einsteinovej kozmologickej konštante. Šlo však iba o záležitosť raného vesmíru. O niekoľko rokov neskôr sa technológie zlepšili natoľko, že umožnili skúmať veľmi vzdialené supernovy, a tým aj rozpínanie sa vesmíru na veľkých škálach. Vedci si vtedy mysleli, že vesmír obsahuje najmä hmotu a žiarenie, a tak musí vesmír, podľa Einsteinových rovníc, spomaľovať. Rozbehli sa veľké vedecké projekty, ktoré mali za cieľ zmerať rýchlosť rozpínania sa vesmíru, tzv. deceleračný parameter. Výsledok všetkých šokoval – bol záporný. Inými slovami, rozpínanie sa vesmíru nespomaľovalo, ale zrýchľovalo.
Vplyv prázdneho priestoru
Teoretickí fyzici sa takouto možnosťou zaoberali už dlhšie, a tak mohli astrofyzici siahnuť po prehľadovom článku od Seana Carrola, ktorý sa venoval práve kozmologickej konštante. Rovnice, ktoré v jeho publikácii našli, presne zodpovedali tomu, čo pozorovali vo vesmíre. Kozmologická konštanta sa vrátila späť, aj keď teraz ju píšeme na opačnú stranu rovníc – ako jednu zo zložiek energie vesmíru. Keďže sa neprejavuje inak než gravitačne, tak ju voláme tmavá energia. Čo o tmavej energii vieme povedať? Vplýva na rozpínanie sa vesmíru, aj keď ju priamo nevidíme. Je rozložená takmer úplne homogénne v celom vesmíre. Vypĺňa všetky veľké prázdna medzi galaxiami a vďaka tomu má dominantný vplyv, aj keď je jej priemerná hustota len veľmi malá – 7 × 10−30 g/cm3. Jej kľúčová vlastnosť je, že pri rozpínaní sa vesmíru neredne. V dávnej minulosti teda nebola taká dôležitá a dominuje vďaka tomu, že všetko ostatné vo vesmíre redne. Táto vlastnosť sa niekedy interpretuje aj tak, že tmavá energia má záporný tlak. Lepšie je však asi povedať, že ide o energiu prázdneho priestoru. Na základe tohto obrazu sa fyzici pokúsili hodnotu tmavej energie spočítať. Modelovali ju ako kvantové fluktuácie, náhodné vznikanie a zanikanie častíc z vákua. Ich výsledok však bol o 120 rádov väčší, ako je potrebné na vysvetlenie prejavov tmavej energie nameraných z veľkorozmerných experimentov.
Veľká kríza kozmológie
Jedna možnosť je, že zatiaľ nevieme, čo všetko z vákua vyskakuje, a keď sa správne zahrnú všetky častice, výsledok bude sedieť presne. Iná teória skúma tmavú energiu ako dynamické pole, v niečom podobné Higgsovmu poľu. Sú názory, že tmavá energia má v rôznych kútoch (multi)vesmíru iné hodnoty a my sa nachádzame práve v takej časti, ktorá je vhodná pre život – mohli tu vzniknúť štruktúry ako hviezdy a galaxie – ide o tzv. antropický princíp. Niektorí vedci zastávajú aj názor, že kozmologická konštanta je vlastnosťou rovníc, ktorá nemá vysvetlenie v podobe nejakých častíc, ale jednoducho je. Ďalšia možnosť je, že kozmologická konštanta vlastne nie je, teda ide iba o dôsledok toho, že o vesmíre rozmýšľame nesprávne. Napríklad, že vesmír je menej usporiadaný ako predpokladáme, že je anizotropný alebo nehomogénny aj na kozmologických škálach, čo vedie k nesprávnej interpretácii pozorovaných dát. Ak je toto vysvetlenie správne, možno sa dočkáme jeho potvrdenia počas najbližších rokov. Astrofyzici usilovne riešia nezhody v nameraných údajoch. Ak je však za tmavou energiou skrytá nejaká častica, je len ťažko predstaviteľné, aj keď nie celkom vylúčené, že sa nám ju podarí odhaliť v najbližších desaťročiach. Tmavá energia tak zostane zahalená rúškom tajomstva.
Samuel Kováčik
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.
