Czy ciemna energia zmienia się w czasie?

Wyniki najnowszych badań sugerują, że odpowiedzialna za ekspansję ciemna energia może ewoluować wraz z upływem czasu – informują agencje kosmiczne NASA oraz ESA.

Badacze zebrali dane dla około 1600 kwazarów, aby na podstawie obserwacji w ultrafiolecie i promieniowaniu rentgenowskim ustalić odległości do tych obiektów. Następnie wykorzystano tę informację do zbadania tempa rozszerzania się Wszechświata w jego wczesnych czasach.

Według wiodących hipotez na temat budowy Wszechświata, zwykła materia stanowi zaledwie kilka procent jego całkowitej masy-energii. Mniej więcej jedna czwarta to tzw. ciemna materia, której nie widać, ale o jej istnieniu można wnioskować obserwując jej oddziaływania grawitacyjne na zwykłą materię. Całą resztę stanowi ciemna energia.

Naukowcy przypuszczają, że ciemna energia odpowiada za to, że tempo rozszerzania się Wszechświata rośnie. Taki model bazuje na wynikach dziesiątek lat obserwacji w różnych zakresach, od kosmicznego promieniowania tła pochodzącego z czasów 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, po bardziej „lokalne”, jak wybuchy supernowych, gromady galaktyk, soczewkowanie grawitacyjne, których można użyć do prześledzenia kosmicznej ekspansji w różnych epokach kosmicznej historii.

Do tej pory naukowcom udało się zmierzyć ekspansję Wszechświata do 9 miliardów lat wstecz (przede wszystkim wykorzystując obserwacje supernowych). Teraz, dzięki nowym badaniom, którymi kierowali Guido Risaliti z Università di Firenze (Włochy) i Elisabeta Lusso z Durham University (Wielka Brytania), okres ten udało się przesunąć do 12 miliardów lat wstecz. Naukowcy wykorzystali do tego kroku obserwacje kwazarów w ultrafiolecie i promieniowaniu rentgenowskim.

Kwazary to jądra odległych galaktyk, w których supermasywna czarna dziura w bardzo intensywnym tempie przyciąga materię ze swojego otoczenia, co powoduje mocne świecenie. Gdy materia spada na czarną dziurę, formuje się dysk, w którym wytwarzane jest promieniowanie ultrafioletowe. Część fotonów ultrafioletowych zderza się z elektronami w gorącym gazie ponad i poniżej dysku. Skutkiem tych zderzeń jest wzrost energii fotonów do zakresu promieniowania rentgenowskiego. Z procesu tego wynika związek pomiędzy ilością promieniowania ultrafioletowego, a rentgenowskiego, który zależy od całkowitej jasności kwazara (całkowitej ilości produkowanego promieniowania).

Dzięki temu można uznać kwazary za tzw. świece standardowe. Kwazar o danej jasności obserwowany z bliższego dystansu będzie się nam wydawał jaśniejszy, a jeśli zwiększymy odległość, będzie dla nas słabszy. Znając więc rzeczywistą jasność kwazara (z opisanej powyżej zależności) można na podstawie jasności obserwowanej obliczyć odległość.

Astronomowie przeszukali archiwum obserwacji rentgenowskich europejskiego satelity XMM-Newton i zebrali dane dla 7000 kwazarów. Połączyli ten zestaw z obserwacjami ultrafioletowymi z naziemnego przeglądu nieba Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Dodane także dane z amerykańskich kosmicznych obserwatoriów rentgenowskich Chandra i Swift.

Po analizie danych ograniczono próbkę kwazarów do 1598, dla których były dostępne najlepsze obserwacje. I to dla tej grupy ustalono dystanse. Aby upewnić się, że zastosowana technika jest wiarygodna, porównano wyniki z pomiarami bazującymi na supernowych dla 9 miliardów lat wstecz. Okazały się zgodne.

Dla wczesnych etapów istnienia Wszechświata, dla których dostępne są tylko dane z kwazarów (a brak danych z supernowych), występuje jednak rozbieżność pomiędzy obserwowaną ewolucją Wszechświata, a przewidywaniami standardowego modelu kosmologicznego. Rozwiązaniem, które może tłumaczyć tę różnicę, może być ewolucja ciemnej energii w czasie (jej gęstość może rosnąć wraz z upływem czasu).

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Nature Astronomy” (artykuł naukowy można przeczytać tutaj: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1811/1811.02590.pdf). Naukowcy oczekują na możliwość wykonania obserwacji większej liczby kwazarów, aby sprawdzić hipotezę o ewolucji ciemnej energii. Danych może dostarczyć europejski satelita Euclid, którego start Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) planuje na 2022 rok.(PAP)

cza/ agt/