Kas yra tamsioji energija ir tamsioji materija?

Nors pats Visatos plėtimosi sulėtėjimas nebuvo užfiksuotas, Visata privalo sulėtėti. Visata yra pilna materijos, o gravitacinė jėga sutraukia visą materiją.

1998 metais Hubble kosminiu teleskopu buvo užfiksuota tolima supernova, kuri pademonstravo, kad seniau Visata plėtėsi lėčiau nei dabar. Taigi, Visatos plėtimasis nelėtėjo dėl gravitacijos, kaip visi manė – jis kaip tik greitėjo. Niekas to nesitikėjo ir niekas negalėjo paaiškinti šio reiškinio. Tačiau kažkas šį reiškinį sukėlė.

Ilgainiui mokslininkai priėjo prie trijų galimų tokio reiškinio paaiškinimų. Galbūt tai buvo ilgai nepripažintos Alberto Einšteino gravitacijos teorijos, susijusios su kosmologine konstanta, rezultatas? Galbūt tai buvo keista skysta energija, kuri užpildė kosmoso vakuumą? Arba galbūt kažkas yra negerai su A. Einšteino gravitacijos teorija ir reikėtų vadovautis nauja teorija, kuri apima lauką, sukuriantį kosminį greitėjimą? Teoretikai vis dar nežino, koks yra teisingas paaiškinimas – tačiau sprendimo būdui jie jau suteikė pavadinimą: tamsioji energija.

Apie šią energiją yra daugiau nežinoma, nei žinoma. Žinome, kiek yra tamsios energijos – kadangi žinome, kaip ji veikia Visatos plėtimąsi – bet visa kita yra visiška paslaptis. Tačiau ši paslaptis yra svarbi. Pasirodo, kad net 68 procentus Visatos sudaro tamsioji energija. Dar 27 procentus sudaro tamsioji materija. Visa kita – tai yra tai, ką mes matome iš Žemės savo kosmoso stebėjimo įrankiais – sudaro vos 5 procentus Visatos. Tad galbūt viso to net nereikėtų vadinti „normalia materija“ – kadangi tai sudaro tik nedidelę Visatos dalį.

Vienas tamsios energijos paaiškinimas yra tas, kad tai yra kosmoso dalis. A.Einšteinas buvo pirmasis, kuris suvokė, kad tuščia vieta nėra niekas. Tuščia kosmoso erdvė pasižymi įspūdingomis savybėmis. Pirmoji savybė, kurią atrado A.Einšteinas – kad gali atsirasti ir daugiau erdvės. Viena A.Einšteino gravitacijos teorijos versija, kuri apima kosmologinę konstantą, iškelia antrąją hipotezę: „tuščia kosmoso erdvė“ gali turėti savąją energiją. Kadangi ši energija priklauso kosmosui, kosmosui plečiantis ji nemažėja. Atsirandant vis daugiau erdvės, atsiranda vis daugiau ir šios kosmoso energijos. Dėl to tokios formos energija turėtų priversti Visatą plėstis vis greičiau ir greičiau. Deja, bet niekas nesupranta, kodėl kosmologinė konstanta išvis turėtų egzistuoti, o taip pat kodėl ji gali turėti Visatos plėtimuisi reikiamų savybių.

Dar vienas paaiškinimas, kaip Visata įgyja energijos, yra susijusi su materijos kvantine teorija. Ši teorija aiškina, kad „tuščia kosmoso erdvė“ yra pilna laikinų (virtualių) dalelių, kurios nuolatos formuojasi ir dingsta. Tačiau fizikams pamėginus apskaičiuoti, kiek energijos tai suteiktų tuščiai kosmoso erdvei, buvo gautas klaidingas atsakymas. Gautas skaičius – 10¹²⁰ – yra gerokai per didelis. Tai yra vienetas su 120 nulių.

Dar vienas paaiškinimas teigia, kad tamsioji ematomnergija yra naujos rūšies dinaminės energijos skystis ar laukas – kažkas, kas užpildo visą kosminę erdvę, tačiau poveikis Visatos plėtimuisi yra priešingas materijai ir įprastai energijai. Kai kurie teoretikai pavadino tai „kvintesencija“ – pagal graikų filosofų „penktąjį elementą“. Tačiau jeigu atsakymas yra kvintesencija, vis tiek nežinome, kokiomis savybėmis ji pasižymi, su kuo reaguoja arba kodėl išvis egzistuoja. Todėl paslaptis ir toliau išlieka neįminta.

Paskutinė tikimybė yra tai, kad A.Einšteino gravitacijos teorija nėra teisinga. Tai turėtų įtakos ne tik Visatos plėtimuisi, bet ir turėtų poveikį tam, kaip elgiasi įprasta galaktikų materija bei galaktikų spiečiai. Šis faktas padėtų nuspręsti, ar tamsiosios energijos sprendimo būdas yra naujoji gravitacijos teorija, ar ne: mes galėtume stebėti, kaip galaktikos suartėja į vieną spiečių. Tačiau jei paaiškėtų, kad naujoji gravitacijos teorija yra reikalinga, kokia tai būtų teorija? Kaip ji teisingai apibrėžtų kūnų judėjimą Saulės sistemoje, kaip tai apibrėžia A. Einšteino teorija – taip pat kaip kokią prognozę ji pateiktų Visatai? Egzistuoja ne viena teorija kandidatė, tačiau nė viena jų nėra įtikinama. Todėl paslaptis išlieka neįminta.

Tam, kad sužinotume, kas iš tiesų yra tamsioji energija – kosmoso erdvės dalis, naujas dinaminis skystis ar naujoji gravitacijos teorija – reikėtų daugiau ir geresnių duomenų.

Suderinę teorinį Visatos sudedamųjų dalių modelį su kosmologiniais stebėjimais, mokslininkai priėjo išvados, kad 68 procentus visatos sudaro tamsioji energija, 27 procentus – tamsioji materija ir 5 procentus – įprasta materija. Tad kas yra tamsioji materija?

Mes turime daugiau žinių apie tai, kas tamsioji materija nėra, nei kas ji yra. Pirmiausiai, ji yra tamsi – o tai reiškia, kad ji neišlaiko žvaigždžių ar planetų, kurias mes matome, pavidalo. Stebėjimai rodo, kad Visatoje yra per mažai regimos materijos, kad sudarytų minėtus reikalingus 27 procentus Visatos. Antra, tamsioji materija nėra tamsių debesų, sudarytų iš įprastos materijos, pavidalas – tai yra materijos, kurią sudaro dalelės, vadinamos barionais. Mes tai žinome, nes barioninius debesis galėtume aptikti pagal jų sugeriamą radiaciją.

Trečia, tamsioji materija nėra antimaterija – kadangi nematome unikalių gama spindulių, kurie atsiranda materijai reaguojant su antimaterija. Galiausiai tai nėra didžiulės, galaktikoms prilygstančios juodosios skylės – o tai galime spręsti iš matomų gravitacinių lęšių kiekio. Dėl didelės materijos koncentracijos per juos jas keliaujanti toliau esančių objektų šviesa išsikreipia, tačiau nematome pakankamai tokių reiškinių, kad tokie objektai sudarytų 25 procentus tamsiosios materijos.

Tiesa, vis dar egzistuoja kelios nepaminėtos galimos tamsiosios materijos tikimybės. Barioninė materija vis tiek gali sudaryti tamsiąją materiją – jei visa tai susijungtų į visumą rudojoje nykštukėje arba į mažus, tankius sunkiųjų elementų gabalus. Šios galimybės yra žinomos kaip didžiuliai kompaktiški švytintys objektai. Tačiau dažniausiai manoma, kad tamsioji materija nėra barioninė, o ją sudaro kitos egzotiškos dalelės – tokios kaip aksionai ar silpnai tarpusavyje reaguojančios masyvios dalelės.