19 marca 2025 roku grupa badawcza DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) ogłosiła wyniki, które podważają istnienie stałej kosmologicznej – przynajmniej w tej postaci, w jakiej rozumiemy ją obecnie.
Aby zrozumieć, skąd wziął się ten wniosek, cofnijmy się niemal do początku historii Wszechświata, do epoki, w której był on wypełniony gorącą, gęstą plazmą elektronów i barionów (głównie protonów i neutronów). Plazma ta podlegała lokalnym fluktuacjom ciśnienia, wynikającym z konkurencji dwóch efektów: z jednej strony oddziaływania grawitacyjnego, a z drugiej – ciśnienia fotonów, które w tak gęstym ośrodku nie mogły jeszcze propagować się swobodnie.
Wraz z rozszerzaniem się Wszechświata plazma ulegała rozrzedzeniu i ochłodzeniu. Gdy ostatecznie doszło do procesu zwanego rekombinacją, fluktuacje ciśnienia zostały „zapisane” w rozkładzie materii. Dziś możemy odczytać ich skalę w skalach odległości między galaktykami.
Właśnie tego zadania podjął się zespół badawczy DESI. Instrument ten pozwolił skonstruować trójwymiarową mapę odległych galaktyk i kwazarów obejmującą ogromną część obserwowalnego Wszechświata. Wymagało to zarówno precyzyjnego pomiaru separacji kątowych obiektów na niebie, jak i ich przesunięć ku czerwieni, które stanowią miarę odległości kosmologicznej. Celem tych pomiarów było zbadanie barionowych oscylacji akustycznych (BAO), czyli reliktowych fluktuacji ciśnienia pierwotnej plazmy. To właśnie ten relikt wczesnego Wszechświata stał się kluczowym narzędziem współczesnej kosmologii obserwacyjnej.
Analiza danych przeprowadzona przez grupę DESI wskazuje, że najlepiej dopasowane modele kosmologiczne to te, w których wpływ ciemnej energii maleje w czasie. Oznaczałoby to, że nie jest ona stałą kosmologiczną w pierwotnym sensie, w jakim pojawia się w równaniach Einsteina, lecz dynamicznym polem skalarnym ewoluującym wraz z ekspansją Wszechświata. Tego rodzaju scenariusze były wcześniej rozważane w pracach teoretycznych pod nazwą kwintesencji.
W ramach krótkiej dygresji – kosmologowie dla własnej wygody definiują równania stanu każdego składnika Wszechświata (promieniowanie, materia, ciemna energia) poprzez iloraz ciśnienia i gęstości tegoż składnika: \[\omega = p / \rho c^2,\] co – z wyjątkiem tradycyjnej stałej kosmologicznej – przekłada się na tempo ekspansji Wszechświata proporcjonalne do \[a(t) \sim t^{2/3(\omega+1)},\] w przypadku gdyby Wszechświat wypełniał tylko ten jeden składnik.
Dla materii \(\omega_M = 0\) (materia nie wywiera żadnego ciśnienia), dla promieniowania \(\omega_R = 1/3,\) a dla stałej kosmologicznej \(\omega = -1.\) Modele kwintesencji – w największym skrócie – zmieniają równanie stanu ciemnej energii w taki sposób, że \(-1 < \omega < 0\) (najlepsze dopasowanie wypada dla \(\omega \sim -0{,}8\)). Oznacza to, że ekspansja Wszechświata pozostaje przyspieszona, lecz słabiej niż w przypadku stałej kosmologicznej, a w zależności od ewolucji \(\omega(t)\) może w przyszłości przejść w fazę hamowania.
W literaturze rozważa się również fantomową ciemną energię o równaniu stanu \(\omega < -1,\) co prowadzi do scenariusza „Big Rip”.
Taki wynik oznaczałby ogromną zmianę w naszym rozumieniu Wszechświata. W standardowym modelu \(\Lambda\)CDM zawartość Wszechświata obejmuje promieniowanie, materię oraz stałą kosmologiczną, którą można interpretować jako własność samej czasoprzestrzeni – jej inherentną skłonność do przyspieszonej ekspansji. Wyniki DESI sugerują jednak odmienną narrację: zamiast niezmiennej własności geometrii mielibyśmy do czynienia z fizycznym polem, sprzężonym z grawitacją i zmieniającym się w czasie.
Póki co, należy się jednak wstrzymać z przesadnym entuzjazmem. Analiza DESI nie opiera się wyłącznie na własnych danych, lecz wykorzystuje również obserwacje mikrofalowego promieniowania tła (CMB) oraz zestawy danych dotyczących supernowych typu Ia. W zależności od przyjętego wariantu analizy preferencja dla modelu z malejącą ciemną energią mieści się w przedziale od \(2{,}8\,\sigma\) do \(4{,}2\,\sigma.\) Standardy fizyki fundamentalnej wymagają poziomu istotności \(5\,\sigma,\) a zatem nie można jeszcze mówić o odkryciu. Ponadto nie jest to bezpośredni pomiar zmienności stałej kosmologicznej, lecz wniosek pośredni, wynikający z globalnego dopasowania modeli do danych obserwacyjnych.
Można jednak z dużym przekonaniem stwierdzić, że nadchodzące lata coraz precyzyjniejszych pomiarów kosmologicznych mają realny potencjał do gruntownego przeformułowania naszego obecnego obrazu Wszechświata.
Dla zainteresowanych dalszą lekturą polecamy: https://www.desi.lbl.gov/2025/03/19/desi-dr2-results-march-19-guide/