Funkcja masy w niejednorodnych modelach kosmologicznych

Ciemna energia jest klasyfikowana jako największe wyzwanie współczesnej kosmologii. Próby rozwiązania tego problemu opierają się na poszukiwaniach nowej teorii grawitacji lub nowego rodzaju materii o niespotykanych dotąd właściwościach. Trzecią, mniej popularną możliwością jest próba identyfikacji ciemnej energii jako błędu w interpretacji danych obserwacyjnych.

Pomimo, że ogólna teoria względności ma już 100 lat, w kosmologii używa się jednego z jej najprostszych i wyidealizowanych przewidywań – metryki Friedmanna-Lemaitra-Robertsona-Walkera (FLRW). Metryka, będąca rozwiązaniem równań Einsteina, to „przepis” na liczenie odległości podyktowany przez przestrzenny rozkład masy i energii. Metryka FLRW łączy założenie, że nie znajdujemy się w jakimś specyficznym dla Wszechświata miejscu (obserwatorzy w innych miejscach Wszechświata obserwują wokół siebie mniej więcej to samo), z dobrze ugruntowanym faktem obserwacyjnym dotyczącym młodego Wszechświata, z którego wynika, że dzisiejsze struktury wielkoskalowe (np. gromady galaktyk) wyewoluowały z bardzo małych fluktuacji gęstości. Otrzymany w ten sposób „przepis” na mierzenie odległości pozwala nam interpretować obserwacje kosmologiczne i prowadzi do szokującego wniosku – 95% materii i energii we Wszechświecie występuje pod nieznaną dotąd formą ciemnej energii i ciemnej materii, a widzialna materia (np. gwiazdy) to tylko ok. 4%! Dodatkowo, patrząc na ewolucję energetycznego budżetu, możemy zauważyć, że ciemna energia jest silnie skorelowana z ilością powstających we Wszechświecie zwartych struktur. Innymi słowy, można powiedzieć, że ciemna energia zaczyna odgrywać znaczącą rolę w momencie, kiedy nasze założenie o jednorodności rozkładu materii mocno odbiega od rzeczywistości.

Ten fakt skłonił niektórych naukowców do interpretowania ciemnej energii jako miary błędu, wynikającego ze stosowania zbyt uproszczonego modelu (FLRW). Jak uczynić nasz model Wszechświata bardziej realistycznym? Jeden ze sposobów uwzględnienia niejednorodności materii został zaproponowany przez prof. Bucherta. Wprowadził on pojęcie ‘backreaction’, które opisuje wpływ niejednorodności na ewolucję Wszechświata. Niestety nie jest to wielkość bezpośrednio mierzalna, ma ona znaczenie statystyczne, w związku z czym ciężko jest ją oszacować. Kosmologia posiada jednak narzędzia statystyczne, które dają w rezultacie obserwowalne parametry. Jednym z nich jest kosmologiczna funkcja masy – statystyczny sposób na określenie ilości zwartych obiektów w funkcji odległości od obserwatora, który może być zweryfikowany przy użyciu masowych przeglądów nieba.

Mój projekt pt. Funkcja masy w niejednorodnych modelach kosmologicznych stawia sobie za cel ilościowy opis wpływu backreaction na kosmologiczną funkcję masy, co w konsekwencji powinno dostarczyć obserwowalnych argumentów potwierdzających bądź zaprzeczających tezie, jakoby ciemna energia była artefaktem wynikającym ze stosowania zbyt uproszczonych założeń. Wstępne wyniki sugerują, że efekty niejednorodności muszą być uwzględniane w interpretacji obserwacji w dobie tzw. precyzyjnej kosmologii, gdy nasza niedokładna teoria nie nadąża za precyzyjnymi możliwościami pomiarów, wynikającymi z postępu technologicznego.

mgr Jan Ostrowski

Jan Jakub Ostrowski jest doktorantem Toruńskiego Centrum Astronomii przy Uniwersytecie im. Mikołaja Kopernika w Toruniu. Jest członkiem grupy kosmologicznej pod kierunkiem dr hab. B. Roukemy (prof. UMK) i prof. T. Bucherta (ENS, École Normale Supérieure, Lyon). Do jego zainteresowań należą: niejednorodne modele kosmologiczne, ewolucja wielkoskalowych struktur Wszechświata i problem ciemnej energii.

Data publikacji: 22.04.2015