Kozmologija je na prekretnici — na pragu smo otkrivanja nove fizike

Posljednjih nekoliko godina, serija kontroverzi potresla je dobro utemeljeno područje kozmologije. Ukratko, predviđanja standardnog modela svemira ne podudaraju se s nekim novijim opažanjima. 

---

Kako objašnjava Andreea Font, docentica teorijske astrofizike na Sveučilištu Liverpool John Moores, rasprave su užarene, s tvrdnjama da su ta opažanja možda pristrana, dok drugi smatraju da bi se kozmološki model, koji predviđa strukturu i evoluciju svemira, možda trebao preispitati. Neki čak tvrde da je kozmologija u krizi. Trenutno nitko ne zna koja će strana prevagnuti. No, uzbuđuje činjenica da smo na pragu saznanja. Kontroverze su, u konačnici, sastavni dio znanstvene metode. Standardni kozmološki model tijekom godina doživio je svoj udio sporova.

Prema tom modelu, svemir je sastavljen od 68,3% tamne energije (nepoznata tvar koja uzrokuje ubrzavanje širenja svemira), 26,8% tamne tvari (nepoznat oblik tvari) i 4,9% običnih atoma, što je vrlo precizno izmjereno iz kozmičke mikrovalne pozadine, odsjaja zračenja od Velikog praska. Ovaj model uspješno objašnjava mnoštvo podataka na velikim i malim skalama svemira. Na primjer, može objasniti raspodjelu galaksija oko nas i količinu helija i deuterija nastalih u prvim minutama svemira. Možda najvažnije, savršeno objašnjava kozmičku mikrovalnu pozadinu. Zbog toga je stekao reputaciju kao model “usklađenosti.” Međutim, niz mjerenja koja su u suprotnosti s ovim modelom, poznata kao “napetosti”, sada dovode u pitanje njegovu valjanost.

Neugodne… ‘napetosti’

Standardni model donosi određene pretpostavke o prirodi tamne energije i tamne tvari. No, unatoč desetljećima intenzivnog promatranja, još uvijek nismo bliže otkrivanju od čega su tamna tvar i tamna energija sačinjene. Najveći izazov standardnom modelu predstavlja Hubbleova napetost, objašnjava Font. Ova napetost odnosi se na Hubbleovu konstantu, koja je brzina širenja svemira u sadašnjem trenutku. Kada se mjeri u našoj lokalnoj okolini, na temelju udaljenosti do pulsirajućih zvijezda u susjednim galaksijama, zvanih Cefeidi, njezina vrijednost iznosi 73 km/s/Mpc (Mpc je mjera za udaljenosti u međuplanetarnom prostoru). Međutim, kada se predviđa teoretski, vrijednost je 67,4 km/s/Mpc. Razlika možda nije velika (samo 8%), ali je statistički značajna.

Hubbleova napetost postala je poznata prije desetak godina. Tada se smatralo da su opažanja možda bila pristrana. Na primjer, Cefeide, iako vrlo sjajne i lako vidljive, bile su grupirane s drugim zvijezdama, što ih je moglo učiniti još svjetlijima. To bi moglo učiniti da Hubbleova konstanta bude veća za nekoliko posto u usporedbi s modelom, stvarajući tako umjetnu napetost. S dolaskom Svemirskog teleskopa James Webb (JWST), znanstvenici su se nadali da će se napetost riješiti. No, to se još nije dogodilo. Sada astronomi koriste dvije druge vrste zvijezda osim Cefeida (poznate kao zvijezde na vrhu grane crvenih divova (TRGB) i zvijezde asimptotske grane divova (JAGB)). Dok je jedna skupina prijavila vrijednosti od JAGB i TRGB zvijezda koje su blizu vrijednosti očekivane iz kozmološkog modela, druga skupina tvrdi da i dalje vide nesuglasnosti u svojim opažanjima. U međuvremenu, mjerenja Cefeida i dalje pokazuju Hubbleovu napetost.

Kako piše Font, važno je napomenuti da, iako su ova mjerenja vrlo precizna, ona još uvijek mogu biti pristrana zbog nekih efekata jedinstvenih za svaku vrstu mjerenja. To će utjecati na točnost opažanja na različite načine za svaku vrstu zvijezda. Precizno, ali netočno mjerenje je poput razgovora s osobom koja uvijek promašuje poantu. Kako bi znanstvenici riješili nesuglasice između sukobljenih podataka, potrebna su mjerenja koja su i precizna i točna. Dobra vijest je da je Hubbleova napetost sada jedno od najdinamičnijih područja istraživanja u kozmologiji.

Ova napetost, odnosno neslaganje u mjerenju brzine širenja svemira, izazvala je intenzivne znanstvene rasprave i istraživanja. Znanstvenici se nadaju da ćemo odgovor dobiti u narednih godinu dana, zahvaljujući sve preciznijim metodama mjerenja. Ključno poboljšanje u točnosti podataka može se postići uključivanjem zvijezda iz još udaljenijih galaksija, što će pružiti širu perspektivu i smanjiti rizik od pristranih opažanja. Osim toga, revolucionarna mjerenja gravitacijskih valova, koji su deformacije prostor-vremena uzrokovane ekstremnim kozmičkim događajima poput sudara crnih rupa, mogu značajno pridonijeti boljem razumijevanju Hubbleove konstante. Ovi valovi djeluju kao “kozmička ravnala” i omogućuju preciznija mjerenja udaljenosti u svemiru, što je ključno za rješavanje ovog složenog problema

Šira slika i S8 napetost

Ova nova mjerenja možda će potvrditi standardni model. Ili će možda ukazati na to da u njemu nedostaje nešto važno. Možda je priroda tamne tvari ili način na koji gravitacija djeluje na određenim skalama drugačiji od onoga što sada vjerujemo. No, prije nego što odbacimo model, treba se diviti njegovoj neusporedivoj preciznosti. Kako objašnjava Font, on promašuje cilj za najviše nekoliko posto, dok ekstrapolira razvoj svemira tijekom 13 milijardi godina. Da bismo to stavili u perspektivu, čak se i mehanički pokreti planeta u Sunčevom sustavu mogu pouzdano izračunavati manje od milijardu godina, nakon čega postaju nepredvidivi. Standardni kozmološki model je izvanredan stroj. Hubbleova napetost nije jedini problem za kozmologiju. Drugi problem, poznat kao ‘S8 tension, ili S8 napetost’, također stvara poteškoće, iako ne u istoj mjeri. Ovdje model ima problem glatkoće, predviđajući da bi materija u svemiru trebala biti zbijenija nego što zapravo opažamo – za oko 10%. Postoje različiti načini mjerenja “zbijenosti” materije, na primjer analiziranjem izobličenja svjetlosti iz galaksija, uzrokovanih tamnom tvari na putu opažanja.

Trenutno se čini da postoji konsenzus u znanstvenoj zajednici da nesigurnosti u opažanjima trebaju biti bolje razjašnjene prije nego što se standardni kozmološki model dovede u pitanje. Jedan od mogućih načina za smanjenje ove napetosti je detaljnije razumijevanje uloge plinovitih vjetrova u galaksijama, koji mogu izbaciti dio materije, smanjujući njezinu koncentraciju. Također, važno je shvatiti kako mjerenja zbijenosti materije na manjim skalama koreliraju s onima na većim. Opažanja bi mogla ukazivati na potrebu za preispitivanjem modela tamne tvari. Na primjer, ako tamna tvar nije u potpunosti sastavljena od hladnih, sporih čestica, kako to predviđa standardni model, već uključuje i brze, vruće čestice, to bi moglo usporiti zbijanje materije u kasnijim fazama svemira i time smanjiti S8 napetost.

Izazovi ranih galaksija i alternativne teorije

Svemirski teleskop James Webb istaknuo je i druge izazove za standardni model. Jedan od njih je da se čini da su rane galaksije mnogo masivnije nego što se očekivalo. Neke galaksije možda teže koliko i Mliječna staza danas, iako su nastale manje od milijardu godina nakon Velikog praska, što sugerira da bi trebale biti manje masivne. Međutim, implikacije protiv kozmološkog modela u ovom slučaju nisu jasne, jer mogu postojati i druga moguća objašnjenja za te neočekivane rezultate. Ključ za rješavanje ovog problema je poboljšanje mjerenja masa zvijezda u galaksijama. Umjesto izravnog mjerenja, što nije moguće, mase zaključujemo iz svjetlosti koju galaksije emitiraju. Ovaj korak uključuje pojednostavljene pretpostavke, što može dovesti do precjenjivanja mase. Nedavno je također predloženo da dio svjetlosti koju pripisujemo zvijezdama u tim galaksijama zapravo generiraju snažne crne rupe. To bi značilo da te galaksije možda nisu toliko masivne koliko se činilo.

Alternativne teorije

Pa, gdje stojimo sada? Dok se neke napetosti možda uskoro objasne boljim opažanjima, još uvijek nije jasno hoće li se pronaći rješenje za sve izazove s kojima se suočava kozmološki model, piše Font. Teorijskih ideja o tome kako popraviti model ne nedostaje — zapravo ih ima previše, u rasponu od nekoliko stotina i broj se povećava. To predstavlja zbunjujući zadatak za svakog teoretičara koji želi istražiti sve mogućnosti. Mogućnosti su brojne. Možda trebamo promijeniti naše pretpostavke o prirodi tamne energije. Možda se radi o parametru koji varira s vremenom, što su neka nedavna mjerenja i sugerirala. Ili možda trebamo dodati više tamne energije u model kako bismo ubrzali širenje svemira u ranijim fazama, ili, naprotiv, u kasnijim fazama. Modificiranje načina na koji gravitacija djeluje na velikim skalama svemira (drugačije od modela poznatih kao Modificirana Newtonova dinamika, ili MOND) također je opcija.

Ipak, nijedna od ovih alternativnih teorija zasad ne može objasniti široki raspon opažanja koje standardni model može. Kako Font objašnjava, još je zabrinjavajuće to što neke od njih mogu pomoći u rješavanju jedne napetosti, ali pogoršati druge. Vrata su sada otvorena za različite ideje koje preispituju čak i najosnovnija načela kozmologije. Na primjer, možda ćemo morati odbaciti pretpostavku da je svemir “homogen i izotropan” na velikim skalama, što znači da svemir izgleda jednako u svim smjerovima i svim promatračima, bez posebnih točaka. Neki znanstvenici predlažu izmjene u teoriji opće relativnosti. Drugi idu korak dalje i zamišljaju svemir koji se ponaša poput “prevaranta”, mijenjajući svoj izgled ovisno o tome promatramo li ga — slično kako se ponašaju čestice u kvantnom svijetu. Iako će mnoge od ovih ideja s vremenom vjerojatno biti odbačene, trenutno pružaju bogat prostor za istraživanje nove fizike.

Prekretnica

Kako objašnjava Font, ovo je dobra stvar. Odgovor na ove napetosti sigurno će doći iz novih podataka. U narednim godinama, snažna kombinacija opažanja iz eksperimenata poput JWST-a, Spektroskopskog instrumenta za tamnu energiju (DESI), Opservatorija Vera Rubin i Euclid, među mnogim drugima, pomoći će nam pronaći dugo tražene odgovore. S jedne strane, točniji podaci i bolje razumijevanje sustavnih nesigurnosti u mjerenjima mogli bi nas vratiti u umirujuću sigurnost standardnog modela. Iz svojih prošlih problema, model bi mogao izaći ne samo potvrđen, već i ojačan, te bi kozmologija postala znanost koja je i precizna i točna. Ali ako se vaga nagne na drugu stranu, ući ćemo u nepoznato područje, gdje će nova fizika morati biti otkrivena. To bi moglo dovesti do velikog pomaka u paradigmi kozmologije, slično otkriću ubrzanog širenja svemira kasnih 1990-ih. Na tom putu možda ćemo se jednom zauvijek suočiti s prirodom tamne energije i tamne tvari, dviju velikih neriješenih misterija svemira.