Fizičari otkrili tajne tamne energije kroz kozmičku mikrovalnu pozadinu

Fizičari su iskoristili kozmičku mikrovalnu pozadinu (CMB) kao “pozadinsko svjetlo” kako bi postavili najstroža dosadašnja ograničenja na fazne prijelaze u tamnom sektoru svemira tijekom ere dominacije tamne energije.

Tim znanstvenika sa sveučilišta Notre Dame i Fudan, predvođen fizičarem Sethom Korenom, u studiji objavljenoj u časopisu Physical Review Letters pokazao je da anizotropije u CMB-u mogu otkriti energetske promjene koje su se dogodile u posljednjih 3–4 milijarde godina, otkad tamna energija dominira širenjem svemira. Dok dosadašnja mjerenja prosječnog širenja svemira mogu ograničiti fazni prijelaz samo na razini od oko 10 posto ukupne tamne energije, nova metoda pomoću CMB fotona spušta tu granicu na manje od jedan posto.

Kako “prokuhati” svemir

Fazni prijelaz prvog reda (FOPT) jest nagla promjena stanja fizikalnog sustava koja se odvija stvaranjem mjehurića nove faze, poput vrenja vode. Ako se takav prijelaz dogodio u tamnom sektoru, mjehurići nove faze širili su se neravnomjerno kroz prostor, što znači da su CMB fotoni iz različitih smjerova ušli u područje prave faze u različito vrijeme te su doživjeli različit gravitacijski crveni pomak.

Upravo tu neravnomjernost iskoristio je tim. Matematičkim modeliranjem anizotropnog crvenog pomaka pretvorili su CMB u iznimno osjetljiv detektor. Planckov opservatorij i slični instrumenti koji promatraju mikrovalno nebo mogu otkriti ili ograničiti te uzorke, a dosadašnja odsutnost detektabilnih varijacija omogućila je postavljanje strogih granica na energiju koju bi takav prijelaz mogao osloboditi.

Što to znači za sudbinu svemira?

Rezultati imaju izravne implikacije na teorije koje dolaze iz teorije struna, posebice na ideje o “Swamplandu” koje sugeriraju da se svemir ne može širiti zauvijek. Neki teoretičari predlažu da će se širenje zaustaviti, a svemir početi skupljati u “velikom krckanju”. Ako se ta promjena dogodila kroz fazni prijelaz, mogla je već započeti.

“Naša studija ispituje tu mogućnost i postavlja donju granicu životnog vijeka svemira koristeći kozmološke podatke”, kažu autori. “Na sreću, nismo više od pola puta kroz životni vijek svemira.” Konkretno, njihovi izračuni pokazuju da se svemir neće urušiti još najmanje 14 milijardi godina, čak i ako je fazni prijelaz iz širenja u skupljanje već započeo.

Podudarnost s novim opažanjima

Zanimljivo je da se istraživanje podudara s najnovijim naznakama iz spektroskopskog instrumenta za tamnu energiju (DESI), koji je izvijestio o promjenama u ponašanju tamne energije pri crvenom pomaku od oko 0,5. Preliminarna analiza koju je tim proveo sa Sai Chaitanyom Tadepallijem sugerira da kozmološka povijest s faznim prijelazom može biti bolje objašnjenje od standardnog modela ΛCDM.

“Fazni prijelaz u tamnom sektoru elegantan je i dobro razumljiv mehanizam koji prirodno odgovara tim novim opažanjima, za razliku od egzotičnijih teorija koje zahtijevaju radikalna odstupanja od poznate fizike”, kaže Koren. Iako znanstvena fantastika često prikazuje raspad vakuuma kao trenutnu apokalipsu, ovakav događaj u izoliranom tamnom sektoru bio bi potpuno neprimjetan u svakodnevnom životu, a njegovo otkrivanje zahtijeva pomna mjerenja kozmoloških pojava.

Postavlja se pitanje koje izvor ne postavlja: ako je manje od jedan posto tamne energije moglo sudjelovati u faznom prijelazu, što to znači za sve one modele koji pokušavaju objasniti ubrzano širenje svemira egzotičnim mehanizmima? Možda je odgovor jednostavniji nego što mislimo, a tamna energija nije misteriozna sila nego posljedica poznatijih procesa koje tek trebamo razumjeti. Tim planira proširiti istraživanje na sektore koji slabo, ali ne samo gravitacijski, međudjeluju s vidljivom materijom, što bi moglo dati dodatne opažačke potpise vidljive postojećim teleskopima.