Tumeenergia: mis see on ja miks universum kiireneb

Tume energia on nimetus jõule või nähtusele, mille tõttu arvatakse universumi laienemise kiiruse suurenemist. Kauged galaktikad näivad meist suure kiirusega eemalduvat: idee on, et universum on laienenud alates Suurest Paugust ja mõõtmised on nüüd piisavalt täpsed, et astronoomid näevad — neid galaktikaid ei eemaldu mitte ainult, vaid need eemalduvad meist üha kiiremini. Üldkokkuvõttes tähendab see, et universum paisub kiirenevalt.

Mille põhjal me seda järeldame?

Põhitähtsusega tõendid kiireneva laienemise kohta pärinevad mitmest sõltumatust vaatlusest:

• Type Ia supernoovade kaugusmõõtmised (1998): need standardiseeritud heledused näitasid, et kauged supernoovad on ootustest nõrgemad, mis viitab kiirenevale laienemisele.
• Kosmilise mikrolaine tausta (CMB) täheldused (nt Planck): need annavad mõõtmisviisi kogu universumi sisu ja geomeetria kohta ning toetavad mudelit, kus ligikaudu kaks kolmandikku energia tihedusest on "pimedas" vormis.
• Baariline akustiline osakese (BAO) skaala galaktikajaotuses: see annab standardmõõtme, mis kombineerituna teiste andmetega piiritleb laienemise ajaloolist käiku.

Mida tume energia teeb ja kuidas seda kirjeldatakse?

Lihtsaim ja enimkasutatav kirjeldus on kosmoloogiline konstant (märgiga Λ Einstein'i võrrandites). See käitub üldrelatiivsuse raames nii, nagu oleks tühjas ruumis konstantne energiatihedus, millel on negatiivne rõhk — sellest tulenevalt tekib täheldatav tõrjuv efekt gravitatsioonile ja laienemine kiireneb. See lihtne mudel annab väga hea kokkuleppe vaatlustega ja selle vastavusparameeter w (võrranduhee seisuparameeter p/ρ) on ligikaudu -1.

Kuid kosmoloogiline konstant tõstatab rasked teoreetilised küsimused:

• Vakumi energiale tehtavad kvantmehaanilised hinnangud annavad väärtusi, mis on teoreetiliselt kuni ~120 korda suuremad kui vaatluslikult lubatud — see on tuntud kui vakumi energia "peenhäälestuse" (fine-tuning) probleem.
• Koinsidentsi probleem: miks on tume energia tihedus tänapäeval sama suurusjärgus nagu ainetihedusega — miks elame just sellisel ajastul, kus mõlemad on võrreldavad?

Võimalikud seletused

Lisaks kosmoloogilisele konstanti on uuritud mitmeid alternatiive:

• Kvintessents — ajas muutuv skalaarväli, mille energiatihedus võib aja jooksul muutuda ja mille w võib erineda -1-st.
• Phantom-energia — hüpoteetiline variant, kus w < -1; selline mudel võib viia äärmuslikuma lõpptulemuseni (nt "Big Rip").
• Muudetud gravitatsiooniteooriad — oletus, et üldrelatiivsust tuleb suurte skaala peale muuta (näiteks f(R)-teooriad või ekstra mõõtmed), nii et laienemise kiirenemine ei ole tingimata eraldiseisev energia vorm.

Mida me praegu teame ja kuidas edasi uuritakse?

Praegused vaatlused (CMB, supernoovad, BAO ja galaktikate uuringud) viitavad sellele, et tume energia moodustab universumi koguesindusest ligikaudu 68% ja selle käitumine on väga lähedane kosmoloogilisele konstantile (w ≈ -1) — kuid mõõtmised ei ole lõplikud ja väiksed kõrvalekalded ei ole välistatud. Jätkuvad ja tulevased projektid — näiteks suuremad supernoova- ja galaktikasurveid läbiviivad uurimused, ruumitelgid ja maapinnapõhised laia läbilaskevõimega vaatlustehnoloogiad (nt Vera C. Rubini teleskoop, Euclid, Roman) — püüavad piirata w väärtust täpsemalt ja kontrollida, kas see muudub ajas.

2011. aastal anti Nobeli füüsikapreemia Saul Perlmutterile, Brian P. Schmidtile ja Adam G. Riessile nende töös, mis 1998. aastal näitas esimest korda kiirenevat kosmilist laienemist, tuginedes Type Ia supernoovade vaatlustele. See avastus oli katalüsaatoriks tumeenergia kui kosmoloogilise probleemi laialdasele uurimisele.

Milline on mõju universumi tulevikule?

Kui tume energia jääb praeguse käitumise juurde (Λ-mudel), siis universum jätkab üha kiirenevat laienemist, mis viib kauges tulevikus galaktikate üksteisest üha kaugemale ja lõpuks pimeduse ja jaheduseni (nn "heat death" või Big Freeze). Kui tumeenergia omadused erinevad ning on näiteks 'phantom'-tüüpi, võivad ette tulla dramaatilisemad stsenaariumid nagu Big Rip. Täpsed tulemused sõltuvad sellest, kuidas tumeenergia aja jooksul käitub.

Kokkuvõte

Tume energia on nimi nähtusele, mis põhjustab universumi laienemise kiirenemist. See on vaatlustega hästi kooskõlas, aga teoreetiliselt jääb see suureks mõistatuslikuks probleemiks: me ei tea selle täpset olemust ega allikat. Uued vaatlused ja teooriad püüavad seda lahendada, kuid hetkel on tumeenergia üks kosmoloogia keskseid avatud küsimusi.

Küsimused ja vastused

K: Mis on tume energia?

K: Miks näib, et kauged galaktikad liiguvad meist suure kiirusega eemale?

K: Kuidas saavad astronoomid öelda, et kauged galaktikad kiirenevad meist eemale?

K: Kas universum paisub konstantse kiirusega?

K: Mis on universumi paisumise kiiruse suurenemise põhjus?

K: Mida ütleb tumeenergia teooria universumi tuleviku kohta?

K: Kui olulised on tumeenergia mõõtmised meie arusaamade jaoks universumist?

Otsing