Jak rozšiřujeme standardní kosmologický model ΛCDM?
Model ΛCDM úspěšně propojuje mnoho pozorování vesmíru. Některé jeho složky ale fyzikálně neznáme a mezi měřeními zůstávají otevřené otázky. Rozšíření modelu znamená změnit konkrétní předpoklad a spočítat, zda takový vesmír lépe odpovídá skutečnosti.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · Odborný podklad · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Co vlastně v modelu měníme
Představme si model jako recept se seznamem přísad a pravidly přípravy. V kosmologii jsou přísadami běžná a temná hmota, záření a temná energie; pravidla zahrnují gravitaci a vývoj rozpínání. Zadané počáteční podmínky pak určují, jak se rodí struktury.
Základní plochý model ΛCDM používá obecnou relativitu, studenou temnou hmotu a kosmologickou konstantu Λ. Jeho běžná podoba má šest základních parametrů — číselných hodnot, které určujeme porovnáním předpovědí s pozorováním. Popisují například hustoty běžné a temné hmoty nebo velikost počátečních nerovnoměrností, z nichž později vyrostly galaxie. Při rozšíření dovolíme měnit také vlastnost, kterou základní model považuje za pevně danou: například připustíme, že se hustota temné energie v čase vyvíjí. Jiná rozšíření mění samotná fyzikální pravidla, například způsob, jakým popisujeme gravitaci.
Jedna odchylka, několik možných vysvětlení
Příkladem je Hubbleovo napětí: některé metody odvozují rozdílné hodnoty dnešní rychlosti rozpínání. Jedna cesta hledá dosud nerozpoznané nejistoty měření. Jiná zkoumá novou fyziku.
V raném vesmíru se horkou směsí látky a záření šířily zvukové vlny — střídavé stlačování a rozpínání této směsi. Vzdálenost, kterou stihly urazit do doby, než se světlo začalo volně šířit vesmírem, zanechala charakteristický otisk v reliktním záření. Slouží nám jako kosmické pravítko.
Přídavná složka energie by mohla urychlit tehdejší rozpínání. Zvukové vlny by do tohoto okamžiku měly méně času a výsledné pravítko by bylo kratší. Když jeho vypočtenou délku porovnáme s velikostí jeho otisku na obloze, změní se odvozené vzdálenosti, a tím může vyjít i jiná Hubbleova konstanta. Taková úprava ale ovlivní také další vlastnosti reliktního záření a vývoj galaxií, takže ji můžeme ověřovat více způsoby.
Které možnosti se zkoumají
Proměnlivá temná energie dovoluje jiné chování než stálou hustotu kosmologické konstanty. Nenulové prostorové zakřivení mění geometrii a vztahy mezi úhly a vzdálenostmi. Vlastnosti neutrin nebo počátečních poruch zase ovlivňují vývoj struktur.
U temné hmoty lze zkoušet například nenulové vzájemné srážky jejích částic nebo jiné rozdělení jejich rychlostí. To mění vznik a vnitřní stavbu galaktických hal. Modifikovaná gravitace zasahuje do samotného vztahu mezi hmotou, geometrií a pohybem. Obrázek nahoře třídí možnosti podle toho, co v popisu měníme.
Co už sedí a co musí rozšíření zvládnout
ΛCDM velmi dobře popisuje velkou část vlastností reliktního záření a velkorozměrového rozložení hmoty. Zároveň jeho označení temná hmota a temná energie ještě neurčují jejich mikroskopickou povahu.
Nová možnost proto potřebuje víc než úspěch u jednoho problému. Musí zachovat dosavadní úspěchy a nabídnout testovatelný rozdíl. Model, který zlepší odhad Hubbleovy konstanty, ale zhorší shodu s jinými přesnými daty, není automaticky lepší.
Jak poznáme užitečné rozšíření
Fyzici porovnají předpovědi s několika soubory dat a vyhodnotí nejistoty i počet nových parametrů. Vědci také ověřují, zda ke stejnému závěru dospějí i s jiným souborem pozorování nebo jiným způsobem zpracování dat. Pokud například nový model vychází lépe jen u jedné skupiny supernov, ale u jiné už ne, je potřeba zjistit proč. Rozdíl může souviset s vlastnostmi pozorovaných objektů či metodou měření, nikoli s novou fyzikou.
Zatím nemáme jediné všeobecně přijaté rozšíření, které by ΛCDM nahradilo v celém jeho rozsahu. Jednotlivé směry zkoumají různé otázky. Jak je posuzovat společně, vysvětluje téma o porovnávání modelů s měřením.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Rozšíření ΛCDM mění konkrétní předpoklady, například vlastnosti temné energie, temné hmoty nebo gravitace. Jeho hodnotu určuje shoda s více měřeními a ověřitelné předpovědi.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)