Fizikai Nobel-díjat ért az Univerzum gyorsuló tágulásának felfedezése

Irdatlan távolságokban felfénylő szupernóvák vizsgálata alapján gondolják a csillagászok, hogy az Univerzum jelenleg gyorsuló ütemben tágul. A tágulást az Univerzum nagy részét alkotó úgynevezett sötét energia hajtja, amely a gravitációval ellentétesen ható taszítóerő, és amelynek természete még rejtély a tudomány számára.

A 2011-es fizikai Nobel-díjat fele részben Saul Perlmutter (University of California Berkeley), fele részben pedig megosztva Adam G. Riess (Johns Hopkins University, Baltimore) és Brian P. Schmidt (Australian National University) kapták, a távoli szupernóvákkal kapcsolatos kutatási eredményeikért.

A kutatók 1998-ban távoli szupernóva-robbanások segítségével kimutatták, hogy az Univerzum a korábban feltételezett lassuló helyett jelenleg gyorsuló ütemben tágul. A kezdeti pillanatot jelentő Nagy Bumm (Ősrobbanás) után hosszú ideig lassuló volt a tágulás, de később (becslések alapján 5-6 milliárd évvel ezelőtt) gyorsulóba váltott, a feltételezések alapján a sötét vagy láthatatlan energia hatására.

A láthatatlan energia (avagy sötét energia) nem tévesztendő össze a szintén kevéssé ismert láthatatlan, avagy sötét tömeggel. Utóbbit sajátos, ma még ismeretlen részecskék alkotják, és azoknak csak gravitációs hatása érzékelhető - ami a "hagyományos anyaghoz" hasonlóan vonzó jellegű. Ezzel ellentétben a láthatatlan energia olyasmi, amely antigravitációsan hat, azaz taszít magától mindent. Mai ismereteink alapján a látható anyag a Világegyetem mintegy 4%-át, a láthatatlan tömeg 23%-át, a sötét energia pedig 73%-át teheti ki.

A sötét energiától fokozatosan gyorsul az Univerzum tágulása. Ez ellentétben áll a korábbi elgondolással, mely szerint az égitestek egymásra kifejtett vonzó hatása fékezi a tágulást. A nagy méretskálán zajló mozgás vizsgálatához távoli objektumok elemzése szükséges, és ebben a hoztak új felfedezéseket a most díjazott kutatók.

Nagy Bumm és Nagy Reccs

Egyre gyorsuló ütemben tágul a Világegyetem, jelentette be 1998-ban két nemzetközi kutatócsoport - a mostani díjazottak vezetésével - a Hubble-űrteleszkóp (HST) mérési adatai alapján. A szenzációs hír azonnal élénk szakmai vitákat indított el. Az első, természetes reakció a kétkedés volt. Stephen Hawking, a kozmológia nagy alakja Al Gore akkori amerikai alelnök kérdésére úgy foglalt állást, hogy szerinte komolyan megkérdőjelezhető a mérések pontossága.

A hír hallatán bizonyára sokan újra feltették magukban azokat a kérdéseket, amelyeket legutóbb gyerekkorukban: mekkora a Világmindenség, milyen a jövője, lesz-e és milyen vége lesz a történetének? A válasz keresése előtt rögtön szögezzük le, hogy ezekre a kérdésekre ma sincs egyértelmű és biztos válaszunk, ahogy nem volt évtizedekkel ezelőtt szüleinknek, tanárainknak sem. Ezt tükrözi a szóhasználat is: a Világegyetem gyorsuló tágulását a sötét energiával magyarázzák a fizikusok. A sötét szó arra utal, hogy ma szinte semmit sem tudunk mibenlétéről.

Saul Perlmutter és Adam G. Riess

1929-ben Edwin P. Hubble amerikai csillagász fedezte fel, hogy a Világegyetem tágul: bármerre is nézünk, a messzi csillagrendszerek, a galaxisok távolodnak tőlünk. A Világegyetemet korábban évezredeken át változatlannak, statikusnak tartották. A 20. században született meg az Ősrobbanás, a Nagy Bumm (Big Bang) elmélete. A ma elfogadott érték szerint 13,7 milliárd évvel ezelőtt a Világegyetem végtelen kis méretű és végtelen nagy sűrűségű volt, majd tágulni és hűlni kezdett. Ez a tágulás a jövőben vagy minden határon túl folytatódik, vagy egyszer megáll és megkezdődik a Nagy Reccshez vezető összehúzódás.

A két lehetőség között lényegében az Univerzum tömege, a benne levő anyag mennyisége dönt. Természetesen ezt sem ismerjük kellő pontossággal, így bizonytalanok vagyunk a sokmilliárd évvel távolabbi jövőt illetően. Mostanáig az állandó tágulást egyre lassulónak gondolták, vagyis a tágulás sebessége egyre kisebb és kisebb, mivel a testek közti tömegvonzás, a gravitáció a tágulás ellen hat.

Az új felismerés szerint azonban a tágulás üteme nem lassul, hanem éppen növekszik: a tágulás üteme napról napra nő. Ez csak úgy lehetséges, ha valamilyen erőhatás a gravitációs vonzás ellen hat. A fizikusok erről rögtön Einsteinre gondoltak.

Távoli szupernóvák a HST felvételein (Riess, STScI, NASA)

Einstein 1916-ban tette közzé az általános relativitáselméletet. Egyenleteiből kikövetkeztethetően a Világegyetem változik, tágul vagy összehúzódik. Az akkori ismeretekre támaszkodó közfelfogás viszont a Világegyetemet állandónak, változatlannak tartotta. Einstein ezért egy kiegészítő tagot illesztett az egyenleteibe, hogy azok statikus Világegyetemhez vezessenek, ez a kozmológiai állandó. Később, a Világegyetem tágulására vonatkozó bizonyítékokat megismerve ezt a lépését élete legnagyobb tévedéseként emlegette.

Új, antigravitációs erőhatás nyomában

Évtizedeken át nem is esett szó az antigravitációs hatások esetleges létezéséről. Az Ősrobbanás-elmélet részleteinek kidolgozása során az 1980-as években azonban kiderült, hogy a Világegyetem történetéről rendelkezésünkre álló tényanyag úgy írható le jól, ha feltételezzük, hogy az Ősrobbanás utáni első másodperc legelején, egy elképzelhetetlenül rövid időszakasz alatt fantasztikus gyorsasággal tágult a Világegyetem. Az inflálódás és a felfúvódás kifejezéseket használja erre a folyamatra a szakirodalom. Az egyre gyorsuló tágulás, vagyis az antigravitációs hatások nem csak az első másodperc törtrészében hatottak, hanem azóta is folyamatosan jelen vannak.

A megfigyelési adatok szerint a múltban a sötét energia sűrűsége nem változott gyorsan az idővel, esetleg állandó is lehetett, összhangban az Einstein által bevezetett kozmológiai állandó fogalmával.

Ha a sötét energia változatlan, akkor az Univerzum örökké tágulni fog. A korábbi drámai forgatókönyvek, a Világegyetem önmagába való összeomlása ("Nagy Reccs"), és a galaxisoktól az atomokig mindennek a szétszakadása ("Nagy Szétszakadás") bekövetkezése ezek szerint kizárható. Az adatok kiértékelése során egyetlen fontos feltevéssel éltek a kutatók: a hatalmas galaxishalmazokban a forró gáz és a sötét anyag aránya valamennyi halmazban azonos (a sötét anyag sugárzásokkal nem ad jelet magáról, mibenlétéről jelenleg csak feltételezések vannak.)

Vázlatos ábra a Nagy Bumm óta eltelt időszakról, eleinte lassuló, majd gyorsuló tágulással (NASA)

Ha lassan is, de gyűlnek a megfigyelési, mérési adatok. A "SuperNova Legacy Survey" nemzetközi kutatócsoport 2003 óta a legnagyobb távcsövek és új módszerek bevetésével méri a szupernóvák távolságát. 2005-ben a Journal of Astronomy and Astrophysics hasábjain tették közzé 71 darab, 2-8 milliárd évvel ezelőtt felrobbant szupernóva adatait. Mérési eredményeik alapján szűkíthető a számba jöhető Világegyetem modellek köre.

Az anyag sűrűsége csökken a tágulással, a sötét energia viszont nagyjából állandónak tűnik. A Világegyetem-modellekben szerepel egy tag, amely a nyomás és az energiasűrűség hányadosát adja meg, ez meghatározza a sötét energia sűrűségének időfüggését, időbeli változását is. Ennek értéke viszont modellfüggő, modellről-modellre változik, tehát a kísérleti tényekkel való összevetés alapján egyes modellek helyesnek, mások tévesnek bizonyulhatnak.

Energia a vákuumból

A modern fizika szerint a vákuumban állandóan keletkeznek és megsemmisülnek részecskék, a vákuum energiát hordoz. A táguló Világegyetemben egyre több lesz a térhez kötődő vákuumenergia, emiatt az energiasűrűség és a nyomás hányadosa állandó marad, tehát van értelme a kozmológiai állandónak. A vákuumenergia viszont a számítások szerint túl nagy, mintegy 100 nagyságrenddel (!) nagyobb annál, mint amennyi a sötét energia megfigyelt hatásának magyarázatához szükséges lenne. Ha csak ez az óriási vákuumenergia hatna, akkor Világegyetemünk egy szempillantás alatt szétrepülne. Talán a természet valamilyen, rejtett szimmetriáján alapuló, ma még ismeretlen hatása kompenzálja a vákuum-energiát?

A kozmológiai állandó újbóli bevezetése mellett ismét felmerült egy ötödik fajta kölcsönhatás létezésének lehetősége is. A fizikai szaklapokban sorra jelennek meg az egyik lehetőség mellett érvelő, a másik hibáira rámutató számítások. Elvileg nagyon különböző kiinduló alapokról el lehet jutni ugyanahhoz a matematikai eredményhez, a gyorsuló tágulás leírásához. A döntéshez további megfigyelési adatokra lesz szükség. Folytatják a szupernóvák feltérképezését, mérik távoli galaxisok röntgensugárzását. Keresik a sötét energia hatásának jeleit a Világegyetem mikrohullámú háttérsugárzásában.

Napjaink egyik legnagyobb csillagászati rejtélye

A felfedezés óta eltelt egy évtizedben tehát továbbra is titokzatos, valóban sötét maradt a sötét energia. A Világegyetem háromnegyedét kitevő "valamit" nem sikerült megismerni. Mindössze néhány mondatban összefoglalható, mit tudtunk meg eddig a sötét energiáról.

Nem bocsát ki fényt. A hozzá tartozó nyomás nagy negatív érték. Eloszlása közelítőleg homogén. "Mivel a sötét energia nyomása nagyságrendileg megegyezik energiája sűrűségével, ezért inkább energia, mint anyag jellegű" - írta a Fizikai Szemlében Németh Judit akadémikus.

Van tehát a Világegyetemben valami, amit nem látunk és egyelőre nem is értünk. Ahogy Marx György akadémikus írta néhány éve a Fizikai Szemlében: "Az Univerzum tágulása kezdetben lassult, most pedig gyorsul! ... Ezzel föladta a leckét: derítsétek ki, hogy egy újfajta anyagról van szó, ami másra csak gravitációja révén hat, vagy a vákuum jelzi létét a kozmológiai állandó révén, esetleg egy új fizika küszöbére értünk..." A fizikusok persze új fizikában reménykednek. S. Weinberg Nobel-díjas fizikus szerint "bárhogy is oldódik meg a sötét energia és a kozmológiai állandó problémája, annak valószínűleg mély hatása lesz a fizika és a csillagászat egészére."

Ha a Világegyetem valóban gyorsuló ütemben tágul, akkor néhány milliárd év múlva távcsövekkel szemlélődő utódaink szeme elé más éjszakai égbolt tárul majd. Sokkal üresebb lesz, a ma látható galaxisok közül sok eltűnik a látótérből. Az új felfedezés egyik szerzőjének megfogalmazása szerint nagyon magányos lesz ez a világ.

Az összeállítás 2009-ben elhunyt szerzőnk, Jéki László cikkeinek felhasználásával készült.