Svemir se širi sve brže, ali možda za to nije potrebna tamna energija, jedan od najzagonetnijih pojmova moderne kozmologije. Matematičari sa Sveučilišta u Kaliforniji, Davis tvrde da se ubrzano širenje može pojaviti iz samih Einsteinovih jednadžbi, bez dodavanja kozmološke konstante. Njihov rad izravno dovodi u pitanje model Lambda-CDM, današnji standardni opis razvoja svemira nakon Velikog praska.
Model svemira koji stoji poput olovke na vrhu
U središtu rasprave nalazi se model poznat kao Lambda-CDM, odnosno model hladne tamne tvari s kozmološkom konstantom. To je okvir kojim se danas objašnjavaju Veliki prasak, širenje svemira, raspored galaksija, tamna tvar i tamna energija.
No matematičari Blake Temple i njegovi suradnici tvrde da taj model ima dublji problem. U radu objavljenom u časopisu Proceedings of the Royal Society A analizirali su Einstein-Eulerove jednadžbe, spoj opće teorije relativnosti i jednadžbi dinamike fluida, kojima se opisuju pojave poput galaksija, crnih rupa i širenja svemira.
Prema njihovu zaključku, Friedmannova prostorvremena, matematički modeli na kojima počiva standardna kozmologija širenja svemira, nisu stabilna rješenja. Temple ih uspoređuje s olovkom pažljivo uravnoteženom na šiljku.
Takva olovka može na trenutak izgledati kao da miruje. Sile su prividno u ravnoteži i u matematičkom smislu takav položaj može biti rješenje jednadžbi. No riječ je o izrazito nestabilnom stanju: dovoljan je najmanji poremećaj da olovka izgubi ravnotežu i padne.
Temple tvrdi da se sličan problem pojavljuje kod Friedmannovih modela. Prema novom matematičkom radu, ta su prostorvremena nestabilna na malim i velikim duljinskim skalama u blizini Velikog praska. To je važna tvrdnja jer se u fizici nestabilna rješenja obično ne smatraju dobrim opisom stvarnih, dugotrajnih stanja u prirod
Ubrzano širenje bez tamne energije
Tamna energija u kozmologiju se vratila krajem 20. stoljeća, nakon opservacija udaljenih supernova koje su pokazale da se širenje svemira ubrzava. U pozadini te ideje nalazi se kozmološka konstanta, član koji je Albert Einstein dodao jednadžbama opće relativnosti dok je pokušavao dobiti model statičnog svemira.
Nakon što je Edwin Hubble 1929. pokazao da se svemir širi, kozmološka konstanta izgubila je razlog zbog kojeg je uvedena. Einstein ju je poslije opisao kao svoju najveću pogrešku. No krajem 1990-ih vratila se u središte kozmologije, ovaj put kao način da se u jednadžbe uklopi ubrzano širenje svemira.
Temple i njegovi suradnici sada nude drukčiji matematički put. Prema njihovu radu, ubrzano širenje ne mora nužno zahtijevati tamnu energiju ni kozmološku konstantu. Moglo bi se pojaviti kao posljedica samih Einstein-Eulerovih jednadžbi, koje povezuju opću teoriju relativnosti s opisom gibanja fluida u svemirskim razmjerima.
Autori su do tog pristupa došli razvijajući raniju ideju prema kojoj bi anomalno ubrzanje moglo biti povezano s valnim poremećajem u ranom svemiru. U nastavku su prepoznali skup samosličnih rješenja iz radijacijske ere Velikog praska, razdoblja u kojem je zračenje imalo presudnu ulogu u dinamici svemira. Samoslična rješenja opisuju sustave koji zadržavaju isti osnovni oblik i kada se promijeni mjerilo.
U novom radu standardni kozmološki model prikazan je kao ravnotežno stanje tih jednadžbi. Takav prikaz omogućio je autorima da ispitaju njegovu stabilnost, kao i stabilnost Friedmannovih prostorvremena u kasnijem razdoblju ranog svemira, kada je tvar preuzela glavnu ulogu u njegovu širenju.
Najveći izazov za model Lambda-CDM
Prema Templeu, njihov dokaz pokazuje da su Friedmannova prostorvremena nestabilna na radijalne poremećaje na velikim duljinskim skalama. Autori smatraju da bi to moglo dovesti u pitanje model Lambda-CDM kao stabilno rješenje Einsteinovih jednadžbi opće relativnosti, neovisno o tome uključuje li se u model tamna energija ili ne.
To ne znači da je tamna energija izbačena iz kozmologije. Model Lambda-CDM i dalje ima snažnu opservacijsku potporu jer uspješno povezuje velik broj mjerenja i podataka o svemiru, od kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja do rasporeda galaksija u velikim strukturama. No rad Templeova tima otvara temeljno matematičko pitanje: je li standardni kozmološki model stabilan opis svemira ili iznimno osjetljivo rješenje koje se lako udaljava od početnog oblika?
Prema autorima, svemir bi u blizini središta simetrije trebao izgledati poput Friedmannova prostorvremena, dok bi se na velikim udaljenostima pojavila ubrzanja koja odstupaju od standardnog modela. U takvom tumačenju ubrzano širenje ne proizlazi iz dodatnog sastojka svemira, odnosno tamne energije, nego iz nestabilnosti samih jednadžbi.
Kopernikovo načelo postaje dio problema
Rad otvara i pitanje Kopernikova načela, jedne od temeljnih pretpostavki moderne kozmologije. U najširem smislu, ono kaže da Zemlja ne zauzima povlašteno mjesto u svemiru. Standardni kozmološki model zato polazi od pretpostavke da je svemir, promatran na dovoljno velikim mjerilima, približno jednak u svim smjerovima i na svim mjestima.
Temple upozorava da se prigovor o “posebnom mjestu” ne može primjenjivati samo kada odgovara standardnom modelu. Prema njegovu tumačenju, i Lambda-CDM i sferno simetrično prostorvrijeme uvode posebno mjesto ako žele ostati fizički prihvatljivi. Ako se jedan model odbacuje zbog Kopernikova načela, kaže Temple, isti kriterij mora vrijediti i za drugi.
Time se rasprava ne svodi samo na pitanje treba li prilagoditi tamnu energiju. Autori pitaju treba li ona uopće biti dio kozmoloških jednadžbi. Ako se ubrzano širenje može dobiti iz opće relativnosti i nestabilnosti Friedmannovih rješenja, tada se problem pomiče s potrage za novim sastojkom svemira na stabilnost matematičkog okvira na kojem počiva današnja kozmologija.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
Izvori i publikacija
The instability of critical and underdense Friedmann spacetimes at the Big Bang as an alternative to dark energy
Časopis / izvor: Proceedings of the Royal Society A
