Valami nagyon nem áll össze abban, ahogy az univerzum viselkedik

1929-ben Edwin Hubble a vöröseltolódás vizsgálatával rájött, hogy az univerzum nem statikus, hanem folyamatosan tágul. Megalkotta a Hubble-állandót, ami azt mutatja meg, hogy egy adott pontot vizsgálva, ahhoz képest milyen sebességgel tágul a körülötte lévő tér. Albert Einstein már korábban feltételezte, hogy az univerzum, a korabeli vélekedésekkel ellentétben, nem lehet nyugalomban, ezen elméleti „hiba” kiküszöbölésére vezette be az úgynevezett kozmológiai állandót, amelyet Hubble eredményeinek megismerése után élete legnagyobb tévedésének nevezett. Hubble számításain elindulva lehetett először kiszámítani az univerzum keletkezésének hozzávetőleges időpontját, és ez vezetett az ősrobbanás elméletének kialakulásához is.

Einstein azonban, úgy tűnik, nem tévedett: feltételezte, hogy, bár a tömeggel bíró testek gravitációja valóban vonzó hatású, az üres tér gravitációja akár taszító is lehet. Ez tulajdonképpen az a kozmológiai állandó, amit ma sötét energiának hívunk. A „sötét” jelző onnan jön, hogy a jelenlegi tudásunk alapján arra számítanánk: a gravitáció miatt a tágulás az idő elteltével lassul – és ha ez nem így van, akkor kell egy olyan, ma még ismeretlen energiának léteznie, ami ezt a gyorsulást valamilyen módon előidézi.

Felfújódó mazsolás kenyér az univerzum

„Ha erre a képre nézünk, olyan, mintha az univerzum statikus lenne” – mondta a Magyar Tudományos Akadémia dísztermében tartott előadásán Adam Riess Nobel-díjas asztrofizikus, rámutatva a Hubble-teleszkóp egyik leghíresebb fotójára, amin tengernyi csillag és galaxis látható. „De ez a benyomás hamis: a valóságban az univerzum úgy viselkedik, mintha egy hatalmas rúgást kapott volna, ezt a rúgást pedig ősrobbanásnak nevezzük.”

Riess mazsolás kenyérhez hasonlította az univerzumot, amiben a mazsolák jelölik a különböző galaxisokat, a kenyértészta magát az univerzumot, az ősrobbanás pedig azt a pillanatot, amikor a kenyeret berakjuk a sütőbe. A kenyér dagadni kezd, a mazsolák távolodnak egymástól. „Mindegy, melyik mazsolát nézzük, az ő szempontjából az összes többi mazsola távolodik tőle. Minél távolabb található tőlünk egy galaxis, annál nagyobb a távolság közöttünk, és annál gyorsabbnak tűnik a távolodása is.”

Riess jelenleg a Johns Hopkins Egyetemen dolgozik. 2011-ben kapta meg a fizikai Nobel-díjat Saul Perlmutterrel és Brian Schmidttel együtt, és 1998-ban jutott el a díjat érő felfedezéséig: szupernóvák, vagyis a Napnál nagyobb tömegű csillagok végső, nagy robbanásai segítségével sikerült kiszámolnia a gyorsuló tágulást. A szupernóva-robbanás során a csillag fényessége egy átlagos galaxiséval vetekszik, így viszonylag könnyű észrevenni és a segítségével méréseket végezni.

A csillagászok a fényessége alapján meg tudják mondani egy szupernóváról, hogy milyen messze van, ezért standard gyertyának is szokták nevezni. Standard gyertya lehet bármi, aminek ismerjük a fényességét, ennek köszönhetően pedig méréseket tudunk végezni vele. Mivel a szupernóva ismert hullámhosszokon bocsát ki fényt, így az alapján is be lehet mérni a mozgását, hogy milyen színű fény jut el hozzánk tőle. Lehet, hogy egy távoli szupernóva inkább a kék spektrumon bocsátja ki a fényt, de ahogy az univerzum tágul, mire a fény eljut hozzánk, a fény inkább a vöröses hullámhosszra nyúlik át – ezt hívják vöröseltolódásnak. Riess az előadásában ezt a jelenséget a Doppler-effektushoz hasonlította, azzal a különbséggel, hogy ebben az esetben nemcsak a megfigyelt objektum mozog, hanem az egész univerzum.

Mielőtt Riess és kollégái felfedezték volna az univerzum gyorsulva tágulását, az akkor ismert Hubble-állandó alapján is vissza lehetett vezetni az ősrobbanást. Az 1929-es számítások alapján az univerzum életkorát azonban mindössze 2 milliárd évre becsülték, de ekkor már geológusok is tudták, hogy még a Föld is öregebb ennél, így azt is sejtették, hogy a számítások nem lehetnek helyesek. A mai modern mérések azt mutatják, hogy az univerzum nagyjából 13 milliárd éves lehet, de még ez sem elég pontos: a Hubble-állandót ugyanis nagyon nehéz megállapítani, folyamatos a bizonytalanság körülötte, ez jelenleg az asztrofizika egyik legfontosabb kérdése, és szorosan kapcsolódik a sötét energiához is.

„Az univerzumban van gravitáció, minden vissza akar húzni mindent, lelassítaná a tágulást, ezzel szemben még mindig tágul – az 1990-es évekig az volt az egyik legnagyobb kérdésünk, hogy mennyire masszív az univerzumunk, van-e benne elég gravitáció ahhoz, hogy előbb-utóbb visszahúzzon mindent, vagy akár örökre maradhat a tágulás – mondta a kutató. – Az univerzumnak van egy beépített szuperképessége: az, hogy az információ, amit kapunk, késleltetett, és az objektumok, amiket vizsgálunk, olyan messze vannak, hogy arról árulkodnak, milyen gyorsan tágult az univerzum a múltban, nem arról, hogy milyen gyorsan tágul most.”

Einsteinnek mégis igaza volt

Ha tehát egy-egy fent említett standard gyertyát vizsgálnak, az árulkodhat arról, hogy milyen gyors volt az univerzum tágulása egymilliárd, kétmilliárd, hárommilliárd évvel ezelőtt. Ennek segítségével az 1990-es években, amikor még nem tudtak a gyorsuló tágulásról, azt kezdték mérni, hogy vajon mennyire lassul a gravitáció hatására ez a tágulás, és hogy van-e esély arra, hogy az univerzum előbb-utóbb önmagába omoljon vissza. A két munkateória az volt, hogy az univerzum vagy annyira sűrű lesz, hogy megállítja a tágulást; vagy pedig tulajdonképpen olyan „könnyű”, hogy a tágulás lassul ugyan, de örökké tarthat, nem fogja megállítani semmi.

Riess és kollégái is arra szerettek volna rájönni, hogy az univerzum tágulása mennyire lassul, 1994-ben kutatócsoportot is alakítottak a munkához. A High-Z Supernova Search Team keretein belül összegyűjtött adatok elemzésére Riess egy számítógépes programot írt 1997-ben, ami a tervek szerint megmutatta volna neki, hogy az univerzum előbb-utóbb visszaroppan saját magába, vagy pedig örökre lassulva tágulni fog. „Teljesen ignoráltuk Einstein kozmológiai állandóját, hiszen ha ő úgy gondolta, hogy butaság, kik vagyunk mi, hogy ellentmondjunk neki?” – mondta Riess. Az általa írt számítógépes program az univerzum tömegét akarta kiszámolni, de negatív számot kapott.

„Akkor nem jöttem még rá, hogy az univerzum tágulása nem lassul. Ahhoz, hogy ez kijöjjön, be kellett vezetnünk Einstein állandóját.”

Riess újabb számításokat végzett, most már a kozmológiai állandóval – kiderült, hogy Einsteinnek valóban igaza volt, és nem kizárólag a gravitációs vonzást kell figyelembe venni, az univerzum tágulása pedig nem lassul, hanem gyorsul. Végül 1998-ban publikálta az eredményeket a kutatótársaival, és megjegyezte, hogy a gyorsulás valamilyen hasonló koncepciónak lehet tulajdonítható, mint Einstein kozmológiai állandója. „Einstein maga is eléggé meglepődött volna, hogy ez az elméleti felfedezése az univerzum egy valódi aspektusa” – mondta Riess.

Jelenleg a kozmológia egyik legfontosabb nyitott kérdése az, hogy miért gyorsul ez a bizonyos tágulás – vagyis hogy mi is pontosan az a sötét energia. Három fő elmélet jelenleg a legvalószínűbb:

• Vákuumenergia, vagyis a kozmológiai állandó: ebben az esetben az űr energiája nem nulla, ami már csak azért is lehetséges, mert a vákuum valójában elég összetett, és nem egy üres tér, részecskék tűnnek fel és el benne, Einstein teóriájában pedig az energiával teli vákuum okozhatja a tágulás gyorsulását. Csakhogy ha megpróbálják kiszámolni, mennyi lehet ez a vákuumenergia, százhúsz nagyságrenddel nagyobb értéket kapnak, mint amennyit mérni tudunk – a kvantumfizika és a relativitáselmélet nem működik együtt.
• Dinamikus sötét energia: egy eddig ismeretlen, a gravitációs vagy mágneses mezőhöz hasonló, de ezektől teljesen különálló mezőt feltételez az űrben, amihez energiát társíthatunk, ami idővel változhat, és átmenetileg hasonló lehet, mint Einstein kozmológiai állandója.
• Einstein gravitációelmélete hamis: ez a legkevésbé valószínű a három közül, de előfordulhat, hogy az univerzum nagy léptékei esetében az Einstein-féle gravitáció már nem érvényes.

Ha a vákuumenergia elmélete a helyes, akkor az univerzum örökké tágulhat, méghozzá egyre csak gyorsulva, ami azt jelenti, hogy a távolság két adott galaxis között egyre gyorsuló ütemben lesz nagyobb. Ez azzal is együtt jár, hogy a gyorsulás előbb-utóbb nagyobb lesz, mint a fénysebesség, így képtelenek leszünk látni az univerzum nagyon távoli objektumait. A nagyon távoli jövőben már csak azt lennénk képesek látni, amit a gravitáció körülöttünk tart, azaz a környező galaxist, a szomszédos Androméda-ködöt, a közvetlen környezetünket.

Ha a sötét energia egy mező, nem tudjuk, hogy mi az alaphelyzete – lehet, hogy állandó, lehet, hogy folyton változik, és változhat akkorát is, hogy megfordítja a gravitáció állapotát: ha az megint mindenhol vonzássá válik, az univerzum újra összeomolhat. Ennek a megoldásnak akár az ellenkezője is a következménye lehet: a sötét energia olyan erőssé válik, hogy minden kötést megszüntet az univerzumban, még a gravitációs vonzást is, és a csillagok például eltávolodnának a galaxisoktól. Aggódni azonban nem kell: erre a becslések szerint legalább 30 milliárd évet kell várni.

A sötét energiát egyébként lázasan kutatják asztrofizikusok: nemrég mi is írtunk egy új elméletről, amely a fekete lyukak középpontjában vélte megtalálni. Riess szerint azonban ezt nem lehet komolyan venni. „Olyan sok benne a változó, a feltételezés, hogy szinte biztosan hamis az elmélet. Ha egy hipotézisben egy-két bizonytalanság van, azzal még lehet dolgozni, de ha ilyen sok, akkor nagyon kicsi az esélye annak, hogy valóban sikeres elméletről van szó – mondta a Telexnek. – Annyit tudunk biztosan, hogy az univerzum egyre gyorsulva tágul, emiatt kell lennie valamiféle sötét energiának, ami egy taszító jellegű gravitációt okoz” – mondta.

Nem áll össze az univerzum története

Aztán ott a Hubble-feszültség problémája is: ha a tudósok lokálisan, a szupernóva-robbanások alapján mérik a Hubble-állandót, más értéket kapnak, mintha a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, vagyis az ősrobbanás után hátramaradt sugárzás alapján mérik. Mindkét módszer nagyjából párhuzamosan mutatja, hogy az ősrobbanás után a tágulás egy ideig lassult, majd elkezdett gyorsulni, csak az értékek nem egyeznek. A kutatók még mindig nem értik a sötét energia és a sötét anyag fizikáját, és könnyen lehet, hogy ezek azok, amelyek a különbségért felelnek.

„Ezzel küzdünk most, próbáljuk megmagyarázni az univerzumot a kezdetétől a végéig, és a sztori nem áll össze – mondta Riess a Telexnek. – Ha a kezdetektől nézzük, és a vége felé haladunk, a számítások nem egyeznek azzal, amit lokálisan tudunk mérni. Ha a végén kezdjük, és próbálunk visszanézni a kezdetekre, nem ugyanazt látjuk, mint amit látnunk kéne. Olyan, mintha a folyó két oldaláról kezdenénk el hidat építeni, ami középen nem találkozik.”

Ennek az eltérésnek az áthidalásához egyébként a gravitációs hullámok is felhasználhatók lehetnek. A két hagyományos megközelítés mellett ugyanis a kutatók reményei szerint a Hubble-állandó értékét meg lehet mérni csak gravitációshullám-jelek segítségével is, mert a fényjelekkel szemben ezek forrásának a távolsága közvetlenül megbecsülhető. Ebben a munkában magyar kutatók is részt vesznek.

Riess elmondta: több elmélet létezik a Hubble-feszültség magyarázatára, de egyelőre egyik sem emelkedik ki kifejezetten a sorból.

„Ha ilyen szituációban találod magad, és nem tudsz rájönni a megoldásra, a válasz mindig az, hogy több adatra van szükség” – mondta Riess. Szerencsére több olyan teleszkópot is építenek jelenleg, amelyek a sötét energiát is mérhetik, ilyen például az Európai Űrügynökség Euclid nevű teleszkópja, amely a sötét univerzumot fogja vizsgálni. A tervek szerint az Euclid idén nyáron indul útnak. A NASA egy óriási látószögű infravörös űrtávcsövet is tervez: a Roman-űrteleszkóp nagy látómezejét a Hubble széles hullámhosszú érzékenységével és a Webb részletes elemzéseivel összekombinálva az eddigi legteljesebb képet kaphatjuk majd a világegyetemünkről.

A sötét energiát pedig minél előbb és minél részletesebben tanulmányozni kell: nélküle nem tudjuk teljesen megérteni az univerzum eredetét, de azt sem, hogy mi lesz a jövője.

Ehhez a cikkhez fizetett együttműködés keretében az Alrite beszédfelismerő (speech-to-text) megoldást használtuk.