Miért bővül az univerzum egyre gyorsuló ütemben, tartalmát eloszlatva a tér egyre nagyobb dimenzióira? Ennek a rejtvénynek az eredeti megoldását, amely a modern kozmológia minden bizonnyal legérdekesebb kérdése, négy elméleti fizikus, Edward W. Kolb, az USA Energiaügyi Minisztériumának Fermi Nemzeti Gyorsító laboratóriuma, Chicago (USA) terjesztette elő: Sabino Matarrese, a University of University Padova; Alessio Notari a kanadai Montreali Egyetemen; és Antonio Riotto, az INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) Padovából (Olaszország). Tanulmányukat tegnap benyújtották a Physical Review Letters folyóiratnak.
Az elmúlt száz évben a világegyetem kibővítése szenvedélyes vita tárgyát képezte, és felidézte a század legszebb gondolatait. A kortársakhoz hasonlóan Albert Einstein kezdetben azt hitte, hogy az univerzum statikus: nem terjeszkedik, se nem zsugorodik. Amikor a saját általános relativitáselmélete egyértelműen kimutatta, hogy a világegyetemnek bővülnie kell, vagy összehúzódnia, Einstein úgy döntött, hogy új összetevőt vezet be az elméletébe. Kozmológiai állandója az üres tér tömeg-sűrűségét képviselte, amely az univerzumot egyre növekvő sebességgel bővítette.
Amikor 1929-ben Edwin Hubble bebizonyította, hogy a világegyetem valóban növekszik, Einstein visszautasította kozmológiai állandóját, és „életem legnagyobb hibájának” nevezte. Aztán, szinte egy évszázaddal később, a fizikusok feltámasztották a kozmológiai állandót egy sötét energiának nevezett változatban. 1998-ban a nagyon távoli szupernóvák megfigyelései azt mutatták, hogy az univerzum egyre gyorsuló ütemben bővül. Ez a felgyorsuló expanzió csak az univerzum új alkotóeleme, a „sötét energia” jelenlétével magyarázható, amely az univerzum össztömegének körülbelül 70% -át képviseli. A fennmaradó részből körülbelül 25% úgy tűnik, hogy egy másik rejtélyes alkotóelem, a sötét anyag formájában van; míg csak körülbelül 5% -uk tartalmaz rendes anyagot, azok a kvarkok, protonok, neutronok és elektronok, amelyekből mi és a galaxisok készültek.
„A sötét energia hipotézise rendkívül izgalmas” - magyarázza Padova Antonio Riotto. -, másrészt azonban komoly problémát jelent. Egyik elméleti modell sem a legmodernebb, például a szuperszimmetria vagy a húrelmélet nem képes magyarázni ennek a titokzatos sötét energiának a megfigyeléseinkhez szükséges mennyiségét. Ha a sötét energia olyan nagy lenne, mint amit az elméletek megjósolnak, az univerzum olyan fantasztikus sebességgel kibővült volna, hogy megakadályozta volna mindaznak a létezését, amelyet kozmoszunkban tudunk. "
A szükséges mennyiségű sötét energiát annyira nehéz összeegyeztetni az ismert természet törvényekkel, hogy a fizikusok mindenféle egzotikus magyarázatot javasoltak, beleértve az új erőket, a téridő új dimenzióit és az új ultra könnyű elemi részecskéket. Az új jelentés azonban az univerzum új alkotóelemeit nem javasolja, csak azt a felismerést, hogy a világegyetem jelenlegi gyorsulása a korai univerzum szokásos kozmológiai modelljének, az infláció következménye.
„Megoldásunk a gyorsuló univerzum által okozott paradoxonra” - mondja Riotto - „az úgynevezett inflációs elméletre támaszkodik, amely 1981-ben született. Ezen elmélet szerint egy apró másodpercen belül a Nagyrobbanás után az univerzum megtapasztalta hihetetlenül gyors terjeszkedés. Ez magyarázza, hogy miért látszik világegyetemünk nagyon homogén. A közelmúltban a Boomerang és a WMAP kísérletek, amelyek a Big Bang-ból származó háttér-sugárzás kis ingadozásait mérték, megerősítették az inflációs elméletet.
Széles körben úgy gondolják, hogy az univerzum történetének korai szakaszában az inflációs expanzió során nagyon apró hullámok keletkeztek az űridőben, amint azt Einstein általános relativitáselmélete megjósolta. Ezeket a hullámokat az univerzum kibővítése nyújtotta, és manapság messze túljutnak a kozmikus horizontunkon, vagyis a megfigyelhető világegyetemnél sokkal nagyobb régió fölött, körülbelül 15 milliárd fényév távolságban. Jelen cikkükben a szerzők azt sugallják, hogy ezeknek a kozmikus hullámok fejlődése növeli a világegyetem megfigyelt kiterjedését, és felel annak gyorsulásának.
"Rájöttünk, hogy egyszerűen hozzá kell adnia ezt az új kulcsfontosságú összetevőt, az infláció korszakában keletkezett téridő hullámát az Einstein általános relativitáselméletéhez, hogy elmagyarázza, miért gyorsul az univerzum ma" - mondja Riotto. „Úgy tűnik, hogy a gyorsulás rejtvényének megoldása a kozmikus horizonton túli univerzumot érinti. Nincs szükség titokzatos sötét energiára. "
Fermilab Kolb a szerzők javaslatát a gyorsuló univerzum legkonzervatívabb magyarázatának nevezte. "Csak a kozmikus horizonton túlmutató hullámok fizikai hatásainak megfelelő elszámolására van szükség" - mondta.
A közelgő kísérletekből származó adatok lehetővé teszik a kozmológusok számára a javaslat tesztelését. "Az, hogy Einsteinnek igaza volt, amikor először bevezette a kozmológiai állandót, vagy volt-e igaza, amikor később megcáfolta az ötletet, hamarosan egy új precíziós kozmológiai megfigyelés teszteli" - mondta Kolb. "Az új adatok hamarosan megkülönböztethetik egymást a világegyetem gyorsított expanziójának magyarázata és a sötét energia megoldás között."
Az INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), az olasz nemzeti nukleáris fizikai intézet támogatja, koordinálja és végzi tudományos kutatásokat az alnukleáris, a nukleáris és az asztroliszta részecskék fizikájában, és részt vesz a vonatkozó technológiák kidolgozásában.
A Fermilabot, az USA-ban, az Illinois állambeli Batavia-ban, az Universities Research Association, Inc. üzemelteti az Energiaügyi Minisztérium Tudományos Iroda számára, amely a részecskefizika és a kozmológia fejlett kutatásait finanszírozza.
Eredeti forrás: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
