Miksi maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä nopeudella, levittäen sisältönsä avaruuden yhä suurempiin ulottuvuuksiin? Alkuperäisen ratkaisun tähän palapeliin, joka on varmasti kiehtovin kysymys nykyaikaisessa kosmologiassa, esitti neljä teoreettista fyysikkoa, Edward W. Kolb Yhdysvaltain energiaministeriön Fermin kansallisen kiihdytinlaboratoriosta, Chicago (USA): Sabino Matarrese University of University Padova; Alessio Notari Montrealin yliopistosta (Kanada); ja Antonio Riotto INFN: stä (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), Padova (Italia). Heidän tutkimuksensa toimitettiin eilen Physical Review Letters -lehteen.
Viimeisen sadan vuoden aikana maailmankaikkeuden laajenemisesta on käyty intohimoista keskustelua, joka on saanut aikaan vuosisadan loistavimmat mielet. Aikakavereidensa tavoin Albert Einstein ajatteli alun perin, että maailmankaikkeus oli staattinen: se ei laajentunut eikä vähentynyt. Kun oma yleisen suhteellisuusteoriansa osoitti selvästi, että maailmankaikkeuden tulisi laajentua tai supistua, Einstein päätti lisätä uuden aineosan teoriaansa. Hänen ”kosmologinen vakio” edusti tyhjän tilan massatiheyttä, joka ajoi maailmankaikkeutta laajenemaan jatkuvasti kasvavalla nopeudella.
Kun vuonna 1929 Edwin Hubble osoitti, että maailmankaikkeus todella laajenee, Einstein hylkäsi kosmologisen vakionsa kutsuen sitä ”elämäni suurimmaksi vikaksi”. Sitten, melkein vuosisataa myöhemmin, fyysikot herättivät kosmologisen vakion pimeäksi energiaksi kutsuttuun varianttiin. Vuonna 1998 hyvin kaukana olevien supernovien havainnot osoittivat, että maailmankaikkeus kasvaa kiihtyvällä nopeudella. Tämä kiihtyvä laajeneminen näytti olevan selitettävissä vain siten, että läsnä on uusi maailmankaikkeuden komponentti, ”pimeä energia”, joka edustaa noin 70 prosenttia maailmankaikkeuden kokonaismassasta. Loput, noin 25 prosenttia näyttää olevan toisen salaperäisen komponentin, tumman aineen, muodossa; kun taas vain noin 5 prosenttia koostuu tavallisesta aineesta, ne kvarkit, protonit, neutronit ja elektronit, joista me ja galaksit ovat, koostuvat.
"Pimeän energian hypoteesi on erittäin kiehtova", Padovan Antonio Riotto selittää, "mutta toisaalta se on vakava ongelma. Mikään teoreettinen malli, ei edes kaikkein modernein, kuten supersymmetria tai jousiteoria, ei pysty selittämään tämän salaperäisen pimeän energian olemassaoloa siinä määrin, mitä havainnomme vaativat. Jos tumma energia olisi teorioiden ennustaman kokoista, maailmankaikkeus olisi laajentunut niin fantastisella nopeudella, että se olisi estänyt kaiken, mitä tunnemme kosmosessamme. "
Vaadittava määrä tummaa energiaa on niin vaikea sovittaa yhteen tunnettujen luonnonlakien kanssa, että fyysikot ovat ehdottaneet kaikenlaisia eksoottisia selityksiä, mukaan lukien uudet voimat, uudet avaruuden ajan mitat ja uudet ultrakevyet alkuainehiukkaset. Uudessa raportissa ei kuitenkaan ehdoteta mitään uutta ainesosaa maailmankaikkeudelle, vaan vain ymmärrystä siitä, että maailmankaikkeuden nykyinen kiihtyminen on seurausta varhaisen maailmankaikkeuden vakiokosmologisesta mallista: inflaatiosta.
"Ratkaisumme kiihtyvän maailmankaikkeuden asettamaan paradoksiin", Riotto sanoo, "vetoaa ns. Inflaatio-teoriaan, joka syntyi vuonna 1981. Tämän teorian mukaan vain muutaman sekunnin murto-osan sisällä Suuresta Bangista, maailmankaikkeus kokenut uskomattoman nopea laajeneminen. Tämä selittää miksi maailmankaikkeus näyttää olevan erittäin homogeeninen. Äskettäin Boomerang- ja WMAP-kokeet, joilla mitattiin isosta räjähdyksestä johtuvia pieniä taustasäteilyvaihteluita, vahvistivat inflaatioteorian.
Yleisesti uskotaan, että inflaatiolaajennuksen aikana maailmankaikkeuden varhaisessa vaiheessa syntyi avaruusajassa hyvin pieniä väreilyä, kuten Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ennustaa. Nämä aallot venyttivät maailmankaikkeuden laajentumista ja ulottuvat tänään kaukana kosmisen horisontin ulkopuolelle, joka on havaittavissa olevaa maailmankaikkeutta paljon suuremman alueen yli, noin 15 miljardin valovuoden etäisyydellä. Kirjoittajat ehdottavat nykyisessä lehdessä, että juuri näiden kosmisten aaltojen evoluutio lisää havaittua maailmankaikkeuden laajentumista ja vastaa sen kiihtyvyydestä.
"Ymmärsimme, että sinun on vain lisättävä tämä uusi keskeinen aineosa, inflaatiokauden aikana syntyneet avaruuden ajan aallot, Einsteinin yleiseen suhteellisuussuhteeseen selittääksesi miksi maailmankaikkeus kiihtyy tänään", Riotto sanoo. ”Vaikuttaa siltä, että ratkaisu kiihtyvyyden palapeliin liittyy maailmankaikkeuteen kosmisen horisontin ulkopuolella. Salaperäistä tummaa energiaa ei tarvita. ”
Fermilabin Kolb kutsui kirjoittajien ehdotusta konservatiivisimmaksi selitykseksi kiihtyvälle maailmankaikkeudelle. "Se vaatii vain kosmisen horisontin ulkopuolella olevien aaltojen fyysisten vaikutusten asianmukaisen kirjanpidon", hän sanoi.
Tulevien kokeilujen tiedot mahdollistavat kosmologien testata ehdotuksen. "Onko Einstein oikeassa, kun hän esitteli ensimmäisen kerran kosmologisen vakion, vai oliko hän oikeassa, kun hän myöhemmin kumosi idean, se testataan pian uudella tarkkuuskosmologisten havaintojen kierroksella", Kolb sanoi. "Uusien tietojen avulla voimme pian erottaa selityksen maailmankaikkeuden nopeutuneesta laajentumisesta pimeän energian ratkaisuun."
INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), Italian kansallinen ydinfysiikan instituutti, tukee, koordinoi ja suorittaa tieteellistä tutkimusta ydinala-, ydin- ja astrohiukkasfysiikassa ja osallistuu asiaankuuluvan tekniikan kehittämiseen.
Fermilabia, Bataviassa, Illinoisissa, Yhdysvalloissa, ylläpitää Universities Research Association, Inc. Energian laitoksen tiedetoimistolle, joka rahoittaa hiukkasfysiikan ja kosmologian syventävää tutkimusta.
Alkuperäinen lähde: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
