Teadlased on aastakümneid eeldanud, et universumi paisumise taga oleva mõistatuslik tumeenergia tugevus on alati olnud ühesugune. Nüüd nähtub uue võimsa tumeenergia spektroskoopilise instrumendi ehk DESI-ga kogutud andmetest, et minevikus võis ilmaruum paisuda kiiremini kui praegu, vahendab Science News.

Teadlaste hulgas tekitavad DESI andmed elevust. Kogukond oli juba aastaid lootnud leida tumeenergia taga olevat füüsikalist mehhanismi, ent märke energiavormi muutlikkusest ei osanud keegi oodata. Uuringuga mitte seotud Pennsylvania Ülikooli kosmoloogi Bhuvnesh Jaini sõnul võib leid olla maailmamuutev kosmoloogia vallas. Rutgersi Ülikooli astronoomi Eric Gawiseri hinnangul jääb hulk teadlasi tumeenergia muutlikkuse suhtes ka uute tulemuste valguses siiski veel kahtlevale seisukohale.  

Ammune segadus

Tumeenergiast sai praeguse füüsikalise maailmapildi üks põhialuseid ligi 30 aasta eest. Rühm teadlasi uuris toona kaugetes galaktikates toimuvaid täheplahvatusi, mis on alati täpselt sama eredad. Nii saab neid kasutada piltlikult öeldes astronoomilise mõõdupuuna. Nad arvutasid välja, et Suurest Paugust alguse saanud universumi paisumine ei võtnud gravitatsiooni mõjul ajapikku hoogu maja, vaid võttis hoopis aja jooksul tuure juurde.

Peale esialgset segadust jõudsid kosmoloogid ühendmudelini, mis klapitas uue tähelepaneku varasemate arusaamadega. Lambda-CDM mudeli järgi hoiab galaktikaid oma raskusjõuga laiali lendamast külm, aeglaselt liikuv tumeaine. Nähtava ja tumeaine kõrval paisutab pidevalt ruumi tumeenergia, mis käitub omalaadi tõukuva gravitatsioonina.

Tähelepanuväärsena võis tumeenergia olemasolu ennustada juba Albert Einsteini gravitatsiooni kirjeldava üldrelatiivsusteooria põhjal. Kaasaegse füüsika suurkuju uskus aga, et universum on staatiline ning nägi tumeenergiat seega paratamatu kosmoloogilise konstandina – lambda (Λ), millega tasakaalustada gravitatsiooni mõju ning vältida universumi kokkutõmbumist.

Senini on lambda-CDM mudel olnud väga edukas. Universumi paisumiskiirust on ilmaruumi eri paigus mõõdetud mitu korda. Siiani on aga kõik mõõtmistulemused olnud mudeli ennustustusega kooskõlas ehk jäänud statistilise vea piiresse.

Näiteks said märtsi keskel avalikuks Tšiilis asuva Atacama kosmoloogiateleskoobi ehk ACT-ga kogutud andmed Suure Paugu kõige varasema kaja kohta. Sarnaselt varasematele töödele ei nähtunud varajasest universumist pärit kosmilise mikrolaine-taustkiirguse uurimisest, et vaatlusandmed oleksid lahknenud lambda-CDM mudeli ennustustest.

Kolme aasta jagu vaatlusandmeid

Paljudele kosmoloogidele lambda-CDM teooria aga ei meeldi. Nende hinnangul on kosmoloogiline konstant meelevaldne tegur, mis ei paku ilmaruumi paisumise kiirenemisele mingit füüsikalist seletust.

Nüüd avaldatud uuring toetus DESI kogutud andmetele. Tegu on esimese uue põlvkonna instrumentiga, mille peaeesmärk on mõõta ilmaruumi paisumiskiirust senisest täpsemalt ning otsida jälgi paisumiskiiruse muutlikkusest. Instrument koosneb maapinnal asuvast teleskoobist ning selle külge ühendatud robotspektrograafist. Viimase abil analüüsib DESI miljonitelt galaktikatelt selleni jõudnud õrna valguskuma ning arvutab välja iga galaktika kauguse Maast. Lõpptulemusena valmib universumi ajalugu kirjeldav mahukas kolmemõõtmeline kaart.

Sellelt kaardilt tulevad välja galaktikate jaotuse võimalikud lainetused ehk barüonite akustilised võnked. Viimased said alguse helilainetest, mis kaikusid läbi noore universumi ajal, mil see meenutas veel ürgset osakeste suppi. Need omakorda mõjutasid universumi algusaegadel aine paiknemist. Mida rohkem ruum paisub, seda suuremaks venivad barüoni akustilised võnked, mis võimaldab analüüsida ka paisumiskiirust.

Mullu avalikustati DESI esimese tööaasta jooksul kogutud andmed. Juba neist nähtus, et tumeenergia tugevus ei pruugi alati olla ühesugune. Nüüd tutvustasid DESI andmeid analüüsiv teadlasrühm Ameerika füüsika seltsi konverentsil ja veebis avaldatud uuringute esmaversioonides kokku kolme aasta jagu vaatlusandmeid.

Eraldi võetuna olid DESI andmed barüoni akustiliste võngete kohta lambda-CDM teooriaga kooskõlas. Teooria kirjeldab kosmilisest ajaloost piltlikult öeldes vaid keskaega ehk kaugeltki mitte kõike. DESI töörühm lisas oma andmestikule andmeid ka teiste kosmiliste ajajärkude kohta. Nad kaasasid ka andmeid kosmilise mikrolaine-taustkiirguse, supernoovade, galaktikate parvedesse jagunemise ja tumeaine kuhjumise kohta. Andmeid kombineerides sai töörühm teise tulemuse: selgus, et tumeenergia on ajapikku muutunud.

Tumeenergiat kui suurust tähistatakse w märgiga, mis tähistab selle rõhu ja energiatiheduse suhtarvu. Lambda-CDM teoorias on w-l kindel ja muutumatu väärtus: -1. DESI uus analüüs viitab aga nüüd, et kauges minevikus oli w väärtus väiksem kui -1,4. Aja jooksul selle väärtus kasvas, praegu umbes -0,8 ligi.

Kahtlusi on palju

DESI töörühma uus analüüs kasutab esmase uuringuga võrreldes kahe aasta võrra rohkem andmeid. Sellest hoolimata ei ole nende leid statistiliselt piisavalt tugevatel alustel, et saaks rääkida füüsika mõistes avastusest. Selleks peaks ulatuma standardhälve viie sigmani ehk tõenäosus, et tulemus on tingitud juhusest, oleks umbes 1/3,5 miljonist ehk 0,000000286 protsenti.

Samas märgib töörühm, et kui kombineerida nende barüonite akustiliste võngete andmeid mistahes teise andmestikuga eraldi, tuleb alati välja samasuunaline muutus. DESI kõneisiku Alexie Leauthaud-Harnetti sõnul võib niisiis kindlamalt väita, et universumi paisumiskiirusega toimub midagi huvitavat.

Osa teadlasi suhtub ajas muutuva tumeenergia idesse avatult. Ometi kahtlevad nemadki, kas w väärtus ikka saab olla väiksem kui -1. Nimelt on kosmoloogilisel konstandil kui suurusel mitu alternatiivi. Neist kõige paremini on uuritud kvintessentsi-nimelist suurust. Viimase järgi on olemas kõige aluseks olev jõuväli, mis küll ajas muutub, ent mille väärtus on alati suurem kui -1. 

Mudeleid, kus tumeenergia väärtus on väiksem kui -1, kutsutavad teadlased fantoom-tumeenergiaks. DESI töörühma liikme Seshadri Nadathuri sõnul on seetõttu uut leidu paljudel teadlastel keeruline omaks võtta. Nii tema kui ka Bhuvnesh Jain loodavad siiski, et töörühma esitatud andmed veenavad ka skeptikuid. 

Osa teadlasi jääb aga esialgu äraootavale seisukohale, sest endiselt ootab analüüsimist kahe aasta jagu DESI-ga kogutud andmeid. Lisaks on peagi oodata tumeenergia kohta andmeid ka teistelt mõõteinstrumentidelt, sealhulgas Euroopa Euclid kosmoseteleskoobi, Vera C ning Rubini observatooriumi ja 2027. aastal tööd alustava NASA Nancy Grace Romani teleskoobi andmeid.

Samas on juba avaldatud ka esimesed DESI töörühma leidu kinnitavad andmed. Tšiilis asuva teleskoobi abil valmib teine teadustöö nimega tumeenergiauuring ehk DES. Selle autorid avaldasid märtsi alguses oma uuringu esmased tulemused, kus jõudsid DESI teadlastega samale järeldusele.