Magyar kutatók oldhatják meg az Univerzum nagy rejtélyét

Volt idő, amikor a kutatók úgy vélték, hogy az Univerzum lassulva tágul. 1998-ban azonban az Ia típusú szupernóvák elemzése rávilágított, hogy a világegyetem tágulása éppenséggel egyre gyorsabbá válik. A felfedezés óta számtalan kozmológiai elmélet született, amellyel a jelenséget igyekeztek megmagyarázni.

Az eltérő hipotézisek közül manapság a legelfogadottabb az úgynevezett standard Lambda-CDM modell. Az elmélet egyik legfontosabb eleme egy rejtélyes energiaforma, az úgynevezett sötét energia, amelynek ugyan pozitív energiasűrűsége van, de a nyomása negatív – tehát semlegesíti a gravitációs vonzást. A standard modell hívei szerint a világegyetem nagy részét kitöltő sötét energia magyarázatot adhat a gyorsulva tágulásra.

Néhányan viszont úgy gondolják, ez a bizonyos energia valójában fizikailag nem létezik, csupán egy mesterségesen, a mérések értelmezéséhez kialakított tényező.

Az újabb Ia típusú szupernóva megfigyelések is arra utalnak, hogy a Lambda-CDM modell messze nem olyan tökéletes, mint ahogy korábban hitték.

Az elemzésekkel ugyanis olyan Hubble-konstans – azaz a Világegyetem tágulásának ütemét jellemző állandó – született, amely a Lambda-CDM modellben nem egyezik meg egy másik módszerrel, a mikrohullámú háttérsugárzás mérésével kapott értékkel. Az új Ia típusú szupernóva vizsgálattal létrejött Hubble-konstans – a mikrohullámú háttérsugárzás kiértékelésével kapottal ellentétben – modelltől független, ezért feltehetőleg a kettő közül ez a helyes.

Mivel a modell és a mérés közt jelentős az eltérés, úgy tűnik, hogy valami probléma van a standard elmélettel.

Emiatt a Lambda-CDM modell mellett régóta létező alternatívák az utóbbi időben egyre több figyelmet kapnak. Ezen elméletek közül az egyik legjelentősebb a kozmológiai visszahatás – azaz backreaction – elve.

Sok „kicsi” sokra megy

Univerzumunkban az anyag a kezdetekben mindenhol hasonló sűrűségű volt, csak kisebb eltérések alakultak ki. Idővel azonban ezek a régiók növekedni kezdtek, hatalmas, szinte teljesen üres üregeket; illetve kisebb, de anyaggal teli részeket alakítva ki – utóbbiakban találhatóak a galaxisok és galaxishalmazok.

Bár a Lambda-CDM modell támogatói is elismerik ezeket a sűrűségbeli eltéréseket, mégis úgy gondolják, hogy a helyi különbségek nincsenek összefüggésben az Univerzum egészén megfigyelhető gyorsuló tágulással.

A kozmológiai visszahatásmodellek viszont épp azt állítják, hogy ezek az eltérések komolyan befolyásolják a világegyetem tágulását.

A kisebb sűrűségű részeket ugyanis kevésbé fogja vissza a tömegvonzás, ezért jóval gyorsabban növekednek, mint a többi régió. Mivel az üregek eleve nagyobb térfogatúak, így az Univerzum egészén megfigyelt tágulásra is kimutatható hatással lehetnek, felgyorsíthatják azt.

Akad azonban egy jelentős probléma, mégpedig az, hogy az ezen elvre épülő elméletekkel rendkívül bonyolult egyenletek jöttek létre. Éppen ezért a visszahatási modellekkel kevés olyan eredmény született, melyet össze lehetne hasonlítani a korábban mért adatokkal. Ez pedig megnehezíti a bizonyítást.

Dobozba zárt Univerzum

A Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters-ben a közelmúltban megjelent tanulmány talán megoldást kínálhat a backreaction problémájára.

Az új, Rácz Gábor, Beck Róbert, Dobos László, Csabai István és Szapudi István által elvégzett vizsgálatban úgynevezett kozmológiai N-test szimulációval modellezték az Univerzum tágulását. A vizsgálati dobozba elhelyezett több millió részecske összessége ugyanis hasonlóan viselkedik, mint a világegyetem. A dobozt a szakértők kisebb cellákra osztották, melyek megközelítőleg egy-egy galaxisnak feleltek meg, így a módszer lehetőséget adott a lokális eltérések elemzésére is.

Efféle módszert korábban is használtak a tudósok, a kutatócsoport szimulációja azonban több újítást is tartalmazott.

Rácz Gábor, az ELTE Komplex Rendszerek Fizikája Tanszékének kutatója, valamint az új tanulmány vezető szerzője szerint a korábbi N-test szimulációkban a tágulást kívülről adták hozzá a rendszerhez, és ebből következtettek a Világegyetem anyagának eloszlására. Az új kutatásban viszont nem az átlagos, hanem a lokális sűrűség, valamint a kozmológiai paraméterek segítségével számolták ki a tágulás mértékét – így az anyag valóban visszahathatott a tágulásra.

A vizsgálat végül igen váratlanul alakult.

Az új szimulációból azt a meglepő eredményt kaptuk, hogy sötét energia nélkül is gyorsuló tágulás volt tapasztalható a késői időkben, ahol már elég nagyok voltak a kialakult struktúrák

– állapította meg Rácz Gábor.

A kutató megkeresésünkre elárulta, hagyományos szimulációk esetében hasonló eredmény nem születhetett volna.

A vizsgálat további érdekessége, hogy az új modellben nem jelentkezett az az ellentmondás, amelyet a már korábban említett, újabb Ia típusú szupernóva megfigyelések mutattak ki.

További vizsgálatok következhetnek

Bár az új szimuláció bizonyos megfigyeléseket jobban megmagyarázott, mint a standard Lambda-CDM modell, Rácz Gábor mégis úgy gondolja, fontos kihangsúlyozni, hogy vizsgálatukban egy új, egyszerű közelítést használtak. Éppen ezért a kutatócsoport más típusú vizsgálatokat is tervez.

Amennyiben az újonnan kidolgozott modell az elkövetkező méréseken is a standard modellhez hasonlóan jól teljesít, az fontos előrelépés lehet a kozmológiai visszahatás elvének bizonyításában.

Rácz Gábor szerint kutatásuk jövőbeli céljai közt a megfigyelésekkel történő összehasonlítás, illetve olyan szimulációs módosítások bevezetése is szerepel, melyekkel egyéb kozmológiai modellek vizsgálatára is lehetőség nyílik.

(Forrás: Fizikai Szemle)