Tamna energija možda se ne nalazi trajno u istom fizičkom stanju. Nova analiza pokazuje da bi se u kasnom svemiru mogao dogoditi hipotetski fazni prijelaz prvog reda, ali kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje ostavlja vrlo malo prostora za takav događaj.
Rad Setha Korena i Yuhsina Tsaija sa Sveučilišta Notre Dame te Runqinga Wanga sa Sveučilišta Fudan objavljen je u časopisu Physical Review Letters. Rad ne donosi opažanje takvog prijelaza, nego izračun njegova mogućeg traga u zračenju koje do nas putuje iz ranog svemira i količine energije koju bi mogao osloboditi prije nego što bi bio u suprotnosti s postojećim mjerenjima.
Što bi se uopće moglo promijeniti?
Tamnom energijom nazivamo pojavu povezanu s ubrzanim širenjem svemira, dok tamna tvar djeluje gravitacijski. Razlika između tih dviju sastavnica detaljnije je objašnjena u tekstu što je tamna tvar, a što tamna energija. Ne znamo je li tamna energija stalno svojstvo prostora, polje koje se mijenja kroz vrijeme ili nešto treće. U najjednostavnijem modelu ponaša se kao kozmološka konstanta, pa joj se gustoća ne mijenja kako svemir raste. Fizikalni modeli, međutim, dopuštaju i složenije mogućnosti.
Jedna od takvih mogućnosti je fazni prijelaz prvog reda. U svakodnevnom iskustvu sličan je naglom prijelazu vode u led: nova faza ne nastaje posvuda istodobno, nego se širi iz početnih mjehurića. U kozmološkom scenariju mjehurići bi predstavljali područja prostora u kojima je tamni sektor prešao u drugo stanje. Njihovo bi širenje moglo osloboditi dio energije vakuuma u obliku čestica ili zračenja koje ne možemo izravno vidjeti.
Takav bi događaj bio moguć tek u kasnoj fazi kozmičke povijesti, nakon što je tamna energija postala dominantna u ukupnoj energetskoj gustoći svemira. U radu se razmatra razdoblje s crvenim pomakom z manjim od 0,3, odnosno relativno nedavna prošlost u kozmološkim mjerilima.
Zašto širenje svemira nije dovoljno?
Ako bi prijelaz promijenio ukupnu količinu energije, mogao bi utjecati na brzinu širenja svemira. To bi bio prvi i najizravniji način da se potraži njegov trag. Problem je što takva mjerenja uglavnom opisuju prosječno širenje na golemim udaljenostima. U takvom prosjeku relativno mali doprinos tamne energije lako ostane skriven.
Autori procjenjuju da bi mjerenja prosječne brzine širenja mogla ograničiti samo prijelaze koji uključuju približno deset posto tamne energije. To je korisno, ali nije dovoljno osjetljivo za slabije prijelaze.
Zato su u analizu uključili kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, ostatak zračenja iz vremena kada je svemir postao proziran. Drevni fotoni tog zračenja do nas dolaze iz svih smjerova, a sitne razlike u njihovu intenzitetu i energiji nose informacije o prostoru kroz koji su putovali. Njegovo su podrijetlo i značenje opisani u tekstu što je kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje.
Nejednak prijelaz ostavio bi trag u CMB-u
Mjehurići nove faze ne bi se pojavili u savršeno pravilnom rasporedu. Fotoni iz različitih smjerova zato bi prolazili kroz različita područja prostora, pa bi se njihova energija mijenjala na različite načine. Na karti kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja to bi se moglo pojaviti kao dodatne anizotropije, odnosno razlike ovisne o smjeru.
Upravo je taj učinak središnji dio novog rada. Umjesto da promatraju samo kako hipotetski prijelaz mijenja prosječno širenje, istraživači računaju kako bi neravnomjerna raspodjela mjehurića utjecala na prolazak CMB fotona kroz svemir. Takav pristup omogućuje stroža ograničenja jer traži obrazac koji bi se teško mogao sakriti u ukupnom kozmičkom prosjeku.
Za opis brzine prijelaza autori upotrebljavaju parametar β/H*. On uspoređuje brzinu prijelaza s brzinom širenja svemira. Parametar ne govori izravno koliko energije ima tamna energija, nego koliko bi se brzo promjena odvijala u odnosu na kozmičku ekspanziju.
Za neke modele granica je manja od jedan posto
Za dovršeni fazni prijelaz s β/H* manjim ili jednakim 25, postojeća mjerenja kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja postavljaju gornju granicu: povezano oslobađanje energije vakuuma ne bi smjelo iznositi više od jedan posto ukupne tamne energije. To nije mjerenje takvog oslobađanja, nego gornja granica za skup modela koje su autori analizirali.
Rad razmatra i scenarij u kojem bi nova faza imala negativnu energiju vakuuma. U takvim modelima širenje bi se jednog dana moglo zaustaviti, a svemir bi se mogao početi sažimati. Analiza pokazuje da bi taj slučaj bio dopušten samo za vrlo velike vrijednosti β/H, približno 300 ili više. Za vrijednosti β/H manje ili jednake približno 500, u modelima koje autori razmatraju svemir se ne bi urušio barem sljedećih 14 milijardi godina.
Važno je pritom da 14 milijardi godina nije prognoza kraja svemira. To je procjena koliko dugo određeni model, uz pretpostavke rada, može izbjeći urušavanje. Ako se pokaže da tamna energija nije podložna takvom prijelazu ili da tamni sektor ima drugačiju fiziku, zaključak se ne može jednostavno prenijeti na stvarni svemir.
Nema dokaza da se prijelaz dogodio
Najvažniji rezultat rada nije otkriće nove kozmičke faze, nego metoda kojom bi se ona mogla tražiti. Istraživači pokazuju da pozadinsko zračenje može biti osjetljivije na nevidljive promjene u tamnom sektoru nego što bi se zaključilo iz samih mjerenja brzine širenja svemira.
To je važno jer tamna energija nema potvrđenu mikroskopsku prirodu. Ako je povezana s dodatnim poljem ili česticama koje gotovo uopće ne djeluju s običnom tvari, izravni laboratorijski pokusi možda neće biti dovoljni. Tada bi tragovi u raspodjeli drevnih fotona i velikih kozmičkih struktura mogli biti jedan od rijetkih načina za provjeru takvih modela.
Za sada podaci ne pokazuju da je tamna energija doista promijenila stanje. Pokazuju koliko bi takva promjena morala biti slaba, brza ili drukčije skrivena, a da pritom ne ostavi uočljiv trag. Buduća preciznija mjerenja CMB-a i brzine širenja svemira mogla bi dodatno suziti taj prostor i smanjiti broj mogućih objašnjenja jedne od najvećih nepoznanica moderne kozmologije.
