Pimeä energia: mikä se on ja miksi maailmankaikkeus kiihtyy

Pimeä energia selitetty: mitä se on, miksi maailmankaikkeus kiihtyy ja mitä uusin tutkimus paljastaa — ymmärrettävä katsaus kosmologian suurimpaan mysteeriin.

Pimeä energia on nimitys voimalle, jonka uskotaan laajentavan maailmankaikkeutta. Kaukana olevat galaksit näyttävät liikkuvan meistä poispäin suurella nopeudella: ajatuksena on, että maailmankaikkeus kasvaa ja on kasvanut alkuräjähdyksestä lähtien. Mittaukset ovat nykyään niin tarkkoja, että tähtitieteilijät voivat todeta, että galaksit näyttävät kiihtyvän meistä poispäin. Maailmankaikkeus laajenee yhä nopeammin.

Tutkijat eivät ymmärrä tätä yhä nopeampaa laajenemista. On monia ideoita siitä, mikä voisi aiheuttaa nopean laajenemisen. Tällä hetkellä sitä tutkivilla kosmologeilla ei kuitenkaan ole vastausta. Aivan kuin tyhjässä avaruudessa olisi jotakin, joka tarjoaisi hylkivän voiman (anti-gravitaatio), joka saa maailmankaikkeuden laajenemaan. Tämä on nimetty pimeäksi energiaksi.

Vuonna 2011 Nobel-palkinto myönnettiin niille tutkijoille, jotka johtivat havaintoja, joiden perusteella kiihtyvä laajeneminen havaittiin 1990-luvun lopulla — havainto, joka johti pimeän energian käsitteen laajaan hyväksyntään. Pimeä energia on siten yksi nykyfysiikan keskeisistä teoreettisista ja havainnollisista ongelmista.

Miten tiedämme, että laajeneminen kiihtyy?

• Tyyppi Ia -supernovat: kaukaisista supernovista mitatut etäisyydet ja niihin liittyvät punasiirtymät osoittivat 1998, että kaukaiset supernovat olivat heikompiä (eli kauempana) kuin odotettiin ilman kiihtyvää laajenemista.
• Taustasäteilyn (CMB) havainnot: esimerkiksi Planck-satelliitin mittaukset kertovat maailmankaikkeuden koostumuksesta ja tukevat mallia, jossa pimeä energia muodostaa suuren osan kokonaisenergiatiheydestä.
• Baryonisten akustisten oskillaatioiden (BAO) signaalit: galaksien jakauman mittaukset antavat itsenäisen etäisyysmittarin, joka tukee kiihtyvän laajenemisen kuvaa.
• Suuren mittakaavan rakenne ja galaksien painovoimalinssitys: mitattu rakenne ja valon taipuminen ovat yhteensopivia pimeän energian vaikutuksen kanssa kosmologisissa malleissa.

Mitä pimeä energia voisi olla?

Pimeä energia ei ole vain "tummaa" valoa, vaan se kuvaa tuntematonta komponenttia, jolla on seuraavia piirteitä:

• Homo- ja isotrooppinen: se näyttää olevan kaikkialla samaa laatua ja tasaista suurilla mittakaavoilla.
• Negatiivinen paine: kosmologian yhtälöiden mukaan juuri negatiivinen paine tuottaa hylkivän vaikutuksen, joka kiihdyttää avaruuden laajenemista.
• Suuri osa energiatiheydestä: nykyisen ymmärryksen mukaan pimeä energia muodostaa noin 68 % maailmankaikkeuden kokonaisenergiatiheydestä (näiden lukujen tarkkuus paranee jatkuvasti havainnoilla).
• Mahdollinen yhtälötilan parametri w: usein kuvataan suhteella paine / energiatiheys w; havaintojen mukaan w on lähellä −1. Jos w = −1, pimeä energia vastaa kosmologista vakioa.

Keskeiset teoriat

• Kosmologinen vakio (Λ): Einsteinin kenttäyhtälössä oleva termi, joka vastaa tasaisesti jakautuvaa energiaa, jolla on w = −1. Tämä on yksinkertaisin selitys ja osa nykyistä ΛCDM-standardein mallia.
• Vakaan kentän mallit (quintessence): dynaaminen skalaari-energian kenttä, jonka tiheys ja paine voivat vaihdella ajan myötä (w voi poiketa −1:stä).
• Muunneltu gravitaatio: vaihtoehtoinen lähestymistapa on muuttaa yleisen suhteellisuusteorian muotoa suurilla mittakaavoilla (esim. f(R)-teoriat), jolloin kiihtyminen ei vaatisi erillistä energiamuotoa.
• Tyhjiöenergia ja kvanttifysiikan ongelma: yksi luonnollinen ehdokas on kvanttikenttäteorian nollapiste-energia, mutta laskennallisesti se antaa arvoja, jotka ovat kauaskin havaituista — tämä on niin kutsuttu kosmologisen vakion hienosäätöongelma.

Mitä tämä merkitsee tulevaisuudelle?

Pimeän energian ominaisuuksilla on suora vaikutus maailmankaikkeuden kohtaloon:

• Jos pimeä energia säilyy vakiona (w = −1), laajeneminen jatkuu kiihtyvänä ja universumi jää kylmään, harvinaiseen tilaan (ns. "heat death").
• Jos w muuttuu ajan myötä tai on pienempi kuin −1 (ns. phantom energy), teoreettisesti mahdollinen lopputulema on dramaattisempi, kuten niin kutsuttu "Big Rip", jossa rakenteet repiytyvät eri mittakaavoilla.

Miten pimeää energiaa tutkitaan nyt?

Nykyiset ja tulevat havaintoprojektit pyrkivät rajaamaan pimeän energian ominaisuuksia tarkemmin: muun muassa satelliitit ja maa-asemaiset kokeet kuten Planck, DESI, Euclid ja Vera Rubin Observatory (LSST) kartoittavat galakseja, mittaavat gravitaatiolinssitystä ja keräävät supernovadataa. Tarkemmat mittaukset auttavat erottamaan, onko kyseessä staattinen kosmologinen vakio vai dynaaminen ilmiö.

Pimeä energia on siis sekä havainnollinen että teoreettinen haaste: se selittää havaitun kiihtyvyyden, mutta sen tarkka luonne — onko kyseessä vakuumi, uusi kenttä vai gravitaation muutos — on yksi nykyfysiikan suurista arvoituksista.

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mitä on pimeä energia?

K: Miksi kaukaiset galaksit näyttävät liikkuvan meistä poispäin suurella nopeudella?

K: Mistä tähtitieteilijät voivat päätellä, että kaukaiset galaksit kiihtyvät meistä poispäin?

K: Laajeneeko maailmankaikkeus vakionopeudella?

K: Mikä on syy maailmankaikkeuden kasvavaan laajenemisnopeuteen?

K: Mitä pimeän energian teoria viittaa maailmankaikkeuden tulevaisuuteen?

K: Kuinka merkittäviä pimeän energian mittaukset ovat maailmankaikkeuden ymmärtämisen kannalta?

Hae kirjaimella