Standardní model dnes počítá s tím, že vlastnosti temné energie zůstávají v čase stejné. Nová data ale naznačují, že by se její působení mohlo v průběhu historie vesmíru měnit.

Zatím není možné říct, že máme definitivní důkaz. Astronomové mluví o náznaku, který bude potřeba potvrdit dalšími pozorováními. Přesto jde o výsledek, který může být důležitou mezifází k lepšímu pochopení jedné z největších záhad moderní fyziky.

Supernovy jako kosmické měřítko

Supernovy typu Ia vznikají při termonukleárních explozích bílých trpaslíků. Jde o mimořádně energetické události, které mohou na krátkou dobu zastínit celé galaxie. Pro astronomy mají ale ještě jednu velmi důležitou vlastnost. Jejich skutečnou jasnost lze za určitých podmínek poměrně spolehlivě standardizovat. Když potom vědci porovnají, jak jasná supernova skutečně je s tím, jak slabě ji vidíme ze Země, mohou odhadnout její vzdálenost.

Současně lze sledovat, jak rychle se od nás vzdaluje její mateřská galaxie. Tato kombinace vzdálenosti a rychlosti vzdalování umožňuje astronomům rekonstruovat historii rozpínání vesmíru.

Obdobný přístup už jednou zásadně změnil naše představy o vesmíru. Na konci 90. let pozorování supernov typu Ia ukázala, že rozpínání vesmíru se nezpomaluje, jak by se dalo očekávat kvůli gravitaci, ale naopak se zrychluje.

Astronomové proto začali pátrat po vysvětlení tohoto jevu. Do kosmologického modelu se postupně dostala temná energie, což je v tuto chvíli stále označení jisté dosud neznámé složky vesmíru, která je spojována přímo se zrychleným rozpínáním.

Dodnes však vlastně nevíme, co temná energie je. Někteří odborníci jsou dokonce toho názoru, že temná energie, temná hmota i gravitace jsou totéž, určitě o tom v budoucnu vyjde ještě několik článků, kde se o tom pobavíme a zahrneme i interpretaci teoretiků z oboru.

Tři desetiletí pozorování v jednom souboru

Mezinárodní tým vedený vědci ze School of Mathematics and Physics na University of Queensland nyní spojil údaje o 2 884 supernovách typu Ia. Výzkumníci tím vytvořili jeden z nejrozsáhlejších katalogů tohoto druhu a zároveň se pokusili sjednotit data získaná během přibližně tří desetiletí astronomických pozorování.

PhD student Ryan Camilleri uvedl, že výsledný soubor představuje nový standard pro výzkum kosmologie založený na supernovách. Podle něj umožňuje zatím nejpodrobnější rekonstrukci toho, jak se rozpínání vesmíru v průběhu času měnilo. A nešlo přitom pouze o prosté spojení všech dostupných měření.

Astronomové museli zohlednit, že jednotlivá pozorování pocházejí z různých teleskopů, vznikala v různých obdobích a byla pořizována za odlišných podmínek. Starší data proto znovu analyzovali pomocí novějších metod a poznatků, které astronomové za poslední desetiletí získali. Výsledný katalog pak porovnali také s dalšími kosmologickými měřeními. Patří mezi ně například reliktní záření z raného vesmíru nebo informace o rozmístění galaxií v prostoru.

Zdroj: Shutterstock

Kombinování různých typů pozorování je pro moderní kosmologii velmi důležité. Každá metoda totiž sleduje vesmír trochu jiným způsobem a v jiné fázi jeho vývoje. A když se výsledky začnou rozcházet s tím, co předpovídá standardní model, může to naznačovat absenci něčeho v našem současném vesmíru.

Proč nestačí jen spojit stará a nová data

Na první pohled by mohlo působit jednoduše prostě vzít všechna historická pozorování supernov, přidat k nim nová a založit větší databázi. Takto snadné to však nebude.

Astronomové dnes například mnohem lépe rozumějí tomu, jak se supernovy typu Ia chovají a co všechno může ovlivnit světlo, které z nich dorazí až k Zemi. Starší měření proto mohou být znovu zpracována způsobem, který nebyl před několika desetiletími možný. Důležité téma je kupříkladu kosmický prach. Ten může světlo supernovy zeslabovat a měnit jeho vlastnosti. Výzkumníci proto musí počítat s tím, jaké množství prachu se nachází mezi explodující hvězdou a námi.

Roli může hrát také hmotnost galaxie, ve které se supernova nachází. K tomu se přidávají další efekty, které mohou měření nepatrně ovlivnit. Třeba zrovna gravitační čočkování. Světlo supernovy při své cestě vesmírem prochází kolem gigantických struktur, jako jsou galaxie nebo kupy galaxií. Jejich gravitace může dráhu světla zakřivit a zároveň způsobit jeho zesílení.

Takové efekty jsou sice často velmi malé, ale při práci s tisíci supernovami a při hledání jemných odchylek od standardního kosmologického modelu mohou být důležité.

Přesně proto vědci starší pozorování znovu zpracovali a snažili se je co nejlépe sjednotit s novějšími daty.

Náznaky, že temná energie nemusí být konstantní

Když astronomové použili rozsáhlý soubor supernov k rekonstrukci historie rozpínání vesmíru, výsledky se úplně neshodovaly s jednoduchou představou, podle které je temná energie neměnná. Standardní kosmologický model předpokládá, že temná energie má v zásadě konstantní vlastnosti. Nová analýza ale poskytuje další náznak, že by tomu tak nemuselo být. Výsledek navíc není úplně izolovaný.

Už v roce 2024 přinesla data z projektu Dark Energy Survey, známého jako DES, náznaky, že temná energie by se mohla v průběhu času měnit. Nová analýza supernov rovněž ukazuje odchylku od standardního modelu, i když není totožná s předchozím výsledkem.

Astrofyzička Tamara Davis na tuto souvislost upozorňuje. Podle ní představovala data z DES první významný náznak časové proměnlivosti temné energie a současný katalog supernov přináší další odchylku od předpokládaného chování.

Důležité přitom je, že podobné náznaky přicházejí také z úplně jiného typu měření.

K podobnému závěru vede i jiná cesta

Další důležitý zdroj informací představuje Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI).

Tento projekt zkoumá rozsáhlou strukturu vesmíru a mimo jiné využívá baryonové akustické oscilace. Jde v podstatě o pozůstatky zvukových vln, které se šířily velmi mladým vesmírem. Jejich dnešní rozložení v galaxiích poskytuje astronomům informace o tom, jak se vesmír rozpínal v různých obdobích své historie.

DESI tak sleduje kosmickou expanzi jiným způsobem než supernovy typu Ia, což je docela zajímavé.

Pokud dvě relativně nezávislé metody začnou ukazovat na možnost, že temná energie není v čase konstantní, získává tato hypotéza větší význam. Stále ale nejde o definitivní potvrzení, toho se v plné míře asi nedočkáme nikdy. Každopádně astronomové tak jako tak budou potřebovat další data a přesnější měření, aby zjistili, zda se skutečně jedná o nový fyzikální jev, nebo zda výsledky způsobuje kombinace statistických a systematických nejistot.

Věda často postupuje tímto způsobem, kdy zajímavou odchylku ještě nepovažuje za nový objev. Musí se opakovat, musí přežít další analýzy a především musí být možné přímo vyloučit jiná vysvětlení.

Co by změna temné energie znamenala

Současný standardní model kosmologie dokáže velmi dobře popsat obrovské množství pozorování. Jeho součástí je ale předpoklad, že temná energie má určité konstantní vlastnosti. Pokud by tento předpoklad neplatil, fyzici by museli hledat nový způsob, jak popsat zrychlené rozpínání vesmíru, čímž by se zanedlouho poté otevřela ještě hlubší otázka, vlastně ta úplně nejzákladnější. Existuje temná energie vůbec jako samostatná složka vesmíru? A jak funguje, z čeho je složená, co "ona energie" vlastně je?

Zdroj: Shutterstock

Jedna z možností hovoří o tom, že to není energie ve smyslu se silou a pohybem, ale spíše vlastnost samotného prostoročasu, jak předpokládá nejjednodušší kosmologická konstanta. Jiná vysvětlení by ale mohla zahrnovat dynamické pole nebo dokonce potřebu upravit naše chápání gravitace na kosmologických škálách.

V tuto chvíli však není možné říct, která z těchto možností je správná. Někdo říká, že to je samotná gravitace, jiní zase spekulují, že se jedná o samostatnou vrstvu vesmíru. Ostatně ani temná hmota nebyla ještě objevena, natož temná energie. U temné hmoty již existují jisté hypotetické částice jako WIMP, ale u hypotetické temné energie by se složení představovalo ještě mnohem hůře, proto teorie s gravitací není zase tak špatná. Možná, že je správná.

Může to souviset s největším problémem moderní fyziky?

Výzkum temné energie má ještě jeden další zajímavý rozměr.

Fyzika dnes disponuje dvěma mimořádně úspěšnými teoriemi. Obecná relativita velmi přesně popisuje gravitaci, pohyb velkých objektů a strukturu vesmíru. Kvantová fyzika zase neuvěřitelně přesně popisuje svět na nejmenších škálách. Háček pak tkví v tom, že tyto dva popisy spolu nejsou plně sjednocené.

Právě proto fyzici už dlouho hledají teorii, která by dokázala konzistentně popsat gravitaci i kvantové jevy v jednom rámci.

Lepší pochopení temné energie by k tomuto problému mohlo nepřímo přispět. Pokud se ukáže, že naše současná představa o rozpínání vesmíru není úplná, může to být stopa k hlubší fyzice, která se skrývá za současnými teoriemi.

Zatím by však bylo předčasné tvrdit, že astronomové už objevili spojení mezi temnou energií a kvantovou gravitací. V současnosti jde spíše o možnost, kterou by budoucí výzkum mohl pomoci prověřit.