Energia ilun

Albert Einsteinek proposatu zuen lehen aldiz konstante kosmologikoa, Einsteinen eremuaren ekuazioaren emaitza egonkorra izan zedin. Hau, hasiera batean, unibertsoa estatikoa zela baieztatzeko erabili zuen fisikari alemaniarrak, grabitatea berdintzeko balio baitzuen. Einsteinek bere ekuazioari egin zizkion ukituak ez ziren oso dotoreak izan, trikimailu baten antz handiagoa zutelako[16]. Handik gutxira Einsteinen unibertso estatikoa ezinezkoa zela frogatuko zen, izan ere, heterogeneotasun lokalek unibertsoa ezegonkor bilakatzea eragingo lukete, hala, hedapen bortitz batera edo uzkurtze azkar batera bideratuz. Ekuazioan sortzen den oreka ez da egonkorra: unibertsoa poliki-poliki hedatzen bada, hedapenak hutsaren edo ezerezaren energia askatuko du eta honek, are hedapen azkarragoa eragingo du. Arrazoi berdinarengatik, uzkurtzen ari den unibertso batek gero eta azkarrago uzkurtzeko joera izango du.

Beraz, perturbazio hauek ezin dira ekidin, unibertsoan materia ez dagoelako modu uniformean banatuta. Edwin Hubble astronomoak gauzatu zituen behaketek argi utzi zuten unibertsoa ez dela estatikoa, etengabe hedatzen ari den eremu bat baizik. 1931n Einsteinek unibertso estatikoaren ideia okertzat jo zuen, besteak beste, bere erlatibitatearen teoria ez zetorrelako bat konstantearekin, eta beraz, konstante kosmologikoa irudikatzea bere bizitzako akats larriena izan zela esan zuen[17]. Hau esan ondoren, konstante kosmologikoa alde batera utzi zen denbora luzez.

1970eko hamarkadan, Alan Guth zientzialariak presio negatiboaren kontzeptua sartu zuen eztabaidara. Energia ilunaren antzeko kontzeptua dugu hau, teoria honen arabera, unibertso jaioberrian hedapen kosmikoaren eragilea presio mota hau izango litzateke. Inflazioaren teoriaren arabera, energia ilunaren antzeko elkarren aurkako indar batzuen erruz, Big Bang-a gertatu eta handik gutxira, unibertsoaren hedapen ikaragarri eta esponentzial bat gertatu zen. Bat-bateko hedapen hau Big Bang-a babesten duten egungo eredu ugarietan ageri da. Hala ere, teoria honek baditu zenbait akats edo gutxienez, azaldu ezin ditzakeen zenbait puntu: aipatutako inflazioa gertatzeko behar izan zen energia, egun energia ilunari aitortzen dioguna baino askoz handiagoa izan zela diote kalkuluek eta gainera, Big Bang-a gertatu eta segundoaren zatiki bat igaro ondoren, amaitu behar izan zuela. Horretaz gain, gaur arte ez dakigu ezer inflazioak eta energia ilunak elkarrekiko izan dezaketen harremanari buruz. Inflazioa babesten duten ereduak onetsiak izan diren arren, gaur egun, konstante kosmologikoak unibertsoan baliorik ez duela uste dute zientzialari askok.

Energia Ilunak adierazten duen terminoa Michael Turner zientzialariak landu zuen 1998an.[18] Garai hartan, jada, jatorrizko nukleosintesian galdutako masaren eta eskala handian unibertsoak behar zuen egituraren arazoak mahai gainean zeuden eta zenbait kosmologo gure unibertsoak, ikusten ez genuen osagai gehigarri bat zuela pentsatzen hasi ziren. Energia ilunaren aldeko lehen froga garbia, Adam Riess astronomoak, supernoba jakin batzuen inguruan egin zituen behaketei esker, unibertsoaren hedapen azeleratuari buruz lortu zituen datuak izan ziren.[19] Saul Perlmutter zientzialariak, geroago, datu hauek berrikusi eta ontzat hartu zituen.[20]

Energia ilunak unibertsoaren zabalpena gero eta gehiago nola azaleratzen duen azaltzen duen eskema.

Aipatutakoak Lambda-CDM eredua sortzea eragin zuen, hau, 2006ra arte gutxienez, egin ziren behaketa kosmologiko arras zehatzen kopuru handi batekin bat zetorren. Eredu hori babesten zuten behaketen zerrendara batu zen azkena 2005ean egin zen, Legacy Survey supernoba aztertuz. Emaitzen arabera, energia ilunak Einsteinek proposatu zuen konstante kosmologikoaren jarreraren antz handia du, %10ko zehaztasunarekin aurreikusi baitzuen, oharkabean bazen ere.[21] Hubble espazio teleskopioaren azken ikerketen arabera, energia iluna azkeneko 9000 milioi urtetan, gutxienez, existitu izan da gure unibertsoan eta hedapen kosmikoaren aurretiko garaietan ere bai.

2013an zegoen ezagutzatik, Lambda-CDM eredua koherentea da gero eta zorrotzagoak diren behaketa kosmologikoekin, hala nola Planck espazio-ontziarekin eta Supernova Legacy Surveyrekin. SNLSren lehen emaitzek erakusten dutenez, energia ilunaren batez besteko portaera (hau da, egoera-ekuazioa) Einsteinen konstante kosmologikoa da, % 10eko zehaztasunarekin[22]. Hubble teleskopio espazialaren Higher-Z ekipoaren azken emaitzek adierazten dutenez, energia iluna 9.000 milioi urtez egon da, gutxienez, azelerazio kosmikoaren aurreko aldian.

Kosmologia estandarrean, unibertsoaren hiru osagai daude: materia, erradiazioa eta energia iluna. Materia edozein gauza da, zeinaren energia-dentsitatea eskala-faktorearen alderantzizko kuboarekin eskalatzen den, hau da, ρ ∝ a⁻³; erradiazioa, berriz, eskala-faktorearen alderantzizko laugarren potentziarekin eskalatzen den edozer da. ρ ∝ a⁻⁴. Intuizioz uler daiteke hori: kubo forma duen kutxa batean partikula arrunt bat jartzeko, kutxaren ertz baten luzera bikoizteak dentsitatea (eta, beraz, energia-dentsitatea) zortzi (2³) faktoretan murrizten du. Erradiazioaren kasuan, energia-dentsitatearen murrizketa handiagoa da, distantzia espaziala handitzeak gorriranzko lerradura ere eragiten baitu.

Azken osagaia energia iluna da: espazioaren propietate intrintsekoa da eta energia-dentsitate konstantea du, kontuan hartutako bolumenaren dimentsioak alde batera utzita. (ρ ∝ a⁰). Horrela, materia arrunta ez bezala, espazioaren hedapenak ez du desegiten.

Ia motako supernoba bat, beheko puntu distiratsua.

1998an, High-Z Supernova Search Team taldeak[25] Ia motako ("bat-A") supernoben behaketak argitaratu zituen. 1999an, Supernova Cosmology Projectak[26] unibertsoaren hedapena bizkortzen ari dela iradokitzen jarraitu zuen[27]. 2011ko Fisikako Nobel Saria Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt eta Adam G. Riessi eman zitzaien, aurkikuntzan izandako lidergoagatik[28].

Harrezkero, hainbat iturri independentek berretsi dituzte emaitza horiek. Mikrouhinen hondo kosmikoaren neurketak, grabitazio-lenteak eta kosmosaren eskala handiko egitura eta supernoben neurketa hobetuak Lambda-CDM ereduarekin bat etorri dira[29]. Batzuek diote energia ilunaren existentziaren zantzu bakarrak distantzia-neurketen behaketak eta horiei lotutako gorritasunezko lerradurak direla. Mikrouhinen hondo kosmikoaren anisotropiek eta barioien gorabehera akustikoek soilik balio dute erakusteko gorriranzko lerradura jakin baterako distantziak Friedmann-Lemaîtreren unibertso "hautseztatu" batetik eta Hubbleren konstante lokaletik espero zitekeena baino handiagoak direla[30].

Supernobak baliagarriak dira kosmologiarako, kandela estandar bikainak direlako distantzia kosmologikoen bidez. Ikertzaileei unibertsoaren hedapenaren historia neurtzeko aukera ematen diete, objektu batekiko distantziaren eta gorriranzko lerraduraren arteko erlazioa behatuz, gugandik zein abiaduratara urruntzen den adierazten duena. Erlazioa gutxi gorabehera lineala da, Hubbleren legearen arabera. Nahiko erraza da gorriranzko lerradura neurtzea, baina objektu batekiko distantzia aurkitzea zailagoa da. Normalean, astronomoek kandela estandarrak erabiltzen dituzte: berezko distira edo magnitude absolutua duten objektuak. Horri esker, objektuaren distantzia neur daiteke behatutako bere distira errealetik edo itxurazko magnitudetik abiatuta. Ia motako supernobak dira kandela estandar ezagunenak distantzia kosmologikoen bidez, muturreko argitasuna eta konstantea dutelako.

Supernoben azken behaketak koherenteak dira energia ilunak % 71,3an eta materia ilunaren eta materia barionikoaren konbinazioak % 27,4an osatutako unibertsoarekin[31].

Unibertsoaren osaketa gaur egun eta orain dela 13.700 milioi urte[32].

Energia ilunaren existentzia, edozein forma duela ere, beharrezkoa da espazioaren geometria neurtua unibertsoko materia kopuru osoarekin bateratzeko. Hondoko mikrouhin erradiazioa (CMB) anisotropien neurketek unibertsoa ia laua dela adierazten dute. Unibertsoaren forma laua izan dadin, unibertsoaren masa-energia dentsitateak dentsitate kritikoaren berdina izan behar du. Unibertsoko materiaren guztizko kantitatea (barioiak eta materia iluna barne), CMBren espektrotik abiatuta neurtuta, dentsitate kritikoaren % 30 baino ez da. Horrek esan nahi du gainerako % 70a ordezkatzen duen energia mota gehigarri bat dagoela. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) espazio-ontziaren zazpi urteko analisiaren arabera, % 72,8ko energia ilunak, % 22,7ko materia ilunak eta % 4,5eko materia arruntak osatzen zuten unibertsoa. 2013an, Planck espazio-ontziaren CMBren behaketetan oinarrituta egindako lanak zenbatespen zehatzagoa egin zuen: energia iluna % 68,3, materia iluna % 26,8 eta materia arrunta % 4,9[33].

Eskala handiko egituraren teoriak, unibertsoko egituren eraketa zuzentzen duenak (izarrak, quasarrak, galaxiak eta galaxien talde eta kumuluak), unibertsoan materiaren dentsitatea dentsitate kritikoaren % 30 baino ez dela iradokitzen du.

2011ko ikerketa batek, WiggleZ galaxien azterketak, 200.000 galaxia baino gehiagorekin, energia ilunaren existentziari buruzko froga gehiago ekarri zituen, nahiz eta energia horren fisika zehatza ezezaguna den oraindik[34][35]. Australiako Astronomia Behatokiaren WiggleZ ikerketak galaxiak eskaneatu zituen gorriranzko desplazamendua zehazteko. Jarraian, barioien gorabehera akustikoek aldizka hutsik utzi dituztela aprobetxatuz. 150 Mpc-ko diametroa, galaxiek inguratuta, galaxiekiko distantziak 2.000 Mpc-raino kalkulatzeko arau estandar gisa erabili ziren hutsak (0,6 gorriranzko lerradura), eta horri esker, galaxien abiadurak zehaztasunez kalkulatu ahal izan ziren, gorriranzko lerraduratik eta distantziatik abiatuta. Datuek unibertsoaren adinaren erdiraino (7.000 milioi urte) bizkortze kosmikoa baieztatu zuten, eta %10ean murrizten dute inhomogeneotasuna. Horrek baieztapen bat ematen dio supernobekiko independentea den azelerazio kosmikoari.

Hedapen kosmiko bizkorraren ondorioz, potentzial grabitatorioko putzuak eta muinoak lehortu egiten dira fotoiek zeharkatzen dituztenean, eta puntu hotzak eta puntu beroak sortzen dira CMBn, superhuts zabalekin eta superkumuluekin lerrokatuta. Azken orduko Sachs-Wolfe efektu integratu (ISW) hori energia ilunaren zuzeneko seinalea da unibertso lau batean[36]. 2008an, Ho et al.[37] eta Giannantonio et al.[38] taldeek bere garrantzi handiaren berri eman zuten.

Hubble konstantearen datuen behaketaren bidez energia ilunaren ebidentzia ere antzeman daiteke. Hubble konstanteari kronometro kosmiko izena ere ematen zaio, eta arreta berezia jarri zaio eremu honi azken urteotan[39][40][41]. Hubblen konstantea, H(z), gorrirantzko lerrakuntzaren funtzio kosmologiko gisa neurtzen da. OHDk zuzenean begiratzen dio unibertsoaren hedapenaren historiari hasieran sortutako galaxien eboluzioa behatuz[42]. Hortik aurrera, ikuspegi honek unibertsoko erloju estandarrak eskaintzen ditu. Ideia honen muina adin diferentzialaren eboluzioaren neurketa da, kronometro kosmiko hauen gorriranzko desplazamenduaren arabera. Horrela, Hubbleren parametroaren zuzeneko zenbatespena ematen du.

${\displaystyle H(z)=-{\frac {1}{1+z}}{\frac {dz}{dt}}\approx -{\frac {1}{1+z}}{\frac {\Delta z}{\Delta t}}.}$

Δz/Δt, kopuru diferentzialaren doitasunak informazio gehigarria eskaintzen du eta konputaziorako interesgarria da: ohiko hainbat arazo eta efektu sistematiko gutxitu ditzake. Supernoben eta barioen oszilazio akustikoen analisiak Hubble parametroaren integraletan oinarritzen dira, Δz/Δt zuzenean neur daitekeen bitartean. Honegatik, netodo hau oso erabilia da azeleratzen ari den unibertsoaren hedapena aztertzeko, zein energia ilunaren ezaugarriak ikertzeko.

Energia ilunaren azalpenik errazena da espazioaren energia intrintsekoa eta funtsezkoa dela. Konstante kosmologikoa da, normalean Λ letra grekoak adierazten duena (Lambda, hortik Lambda-CDM eredua). Energia eta masa ${\displaystyle E=mc2}$ ekuazioaren arabera erlazionatuta daudenez, Einsteinen erlatibitate orokorraren teoriak energia horrek grabitate efektua izango duela iragartzen du. Batzuetan hutsaren energia esaten zaio, espazio hutsaren energia-dentsitatea delako, hutsarena.

Gainditu gabeko arazo handi bat da eremuko teoria kuantikoek berek konstante kosmologiko handi bat iragartzen dutela, 120 magnitude ordenako konstante bat. Honek ia, baina ez zehazki, kontrako zeinuko termino handi batek deuseztatu beharko luke[12].

Teoria supersimetriko batzuek zero konstante kosmologikoa eskatzen dute[43]. Gainera, ez dakigu korden teorian hutsune metaegonkorrik dagoen konstante kosmologiko positiboarekin[44], eta Ulf Danielssonen taldeak uste du egoera hori ez dela existitzen[45]. Aieru horrek ez lituzke baztertuko kintaesentzia bezalako energia ilunaren beste eredu batzuk, korden teoriarekin bateragarriak izan daitezkeenak.

Energia ilunaren kintaesentziaren ereduetan, eskala-faktorearen azelerazio behatua eremu dinamiko baten energia potentzialak eragiten du, kintaesentziaren eremua deritzona. Kintaesentzia konstante kosmologikotik bereizten da espazioan eta denboran alda daitekelako. Materiarena bezalako egitura bat osatu eta taldekatu ez dadin, eremuak oso arina izan behar du, Compton uhin-luzera handia izan dezan. Eszenatoki sinpleenetan, kintaesentziaren eremuak termino zinetiko kanonikoa du, grabitateari minimoki egokitua dago eta ez du goragoko mailako eragiketarik bere Lagrangearrean.

Oraindik ez dago kintesentziaren frogarik, baina ez da baztertu. Oro har, unibertsoaren hedapenaren azelerazioa konstante kosmologikoa baino apur bat motelagoa dela iragartzen du. Zientzialari batzuek uste dute kintaesentziaren frogarik onena Einsteinen baliokidetasun-printzipioaren urraketetatik eta espazioan edo denboran funtsezko konstanteak aldatzetik etorriko litzatekeela[46]. Eremu eskalarrak partikulen fisikaren eredu estandarrak eta korden teoriak iragartzen dituzte, baina konstante kosmologikoaren (edo inflazio kosmologikoaren ereduen eraikuntzaren) antzeko arazo bat planteatzen da: birormalizazioaren teoriak iragartzen du eremu eskalarrek masa handiak eskuratu behar dituztela.

Koinzidentziaren arazoak unibertsoaren azelerazioa zergatik hasi zen galdetzen du. Azelerazioa lehenago unibertsoan hasiko balitz, galaxiak bezalako egiturek ez zuketen inoiz sortzeko astirik izango, eta biziak, ezagutzen dugun bezala behintzat, ez zukeen inoiz existitzeko aukerarik izango. Printzipio antropikoaren defendatzaileek beren argudioen euskarri gisa ikusten dute hori. Hala ere, kintaesentzia eredu askok "arakatzaile" izeneko portaera dute, arazo hau konpontzen duena. Eredu horietan, kintaesentziaren eremuak erradiazio-dentsitatea hurbiletik materia-erradiazio berdintasuneraino jarraitzen duen dentsitatea du, eta, horren ondorioz, kintaesentzia energia ilun gisa jokatzen hasten da, azkenean unibertsoa menderatuz. Horrek modu naturalean ezartzen du energia ilunaren behe-energiaren eskala[47][48].

2004an, zientzialariek energia ilunaren eboluzioa datu kosmologikoekin doitu zutenean, egoera-ekuazioak konstante kosmologikoaren muga (w = -1) beharbada goitik behera zeharkatu zuela aurkitu zuten. Frogatu da agertoki horrek gutxienez bi motatako ereduak behar dituela. Eszenatoki hau Quintom eszenatokia deritzona da[49].

Kintaesentziaren kasu berezi batzuk energia mamua dira, zeinetan kintaesentziaren energia-dentsitatea denborarekin benetan handitzen den, eta k-esentzia (kintaesentzia zinetikoaren laburdura) energia zinetikoaren forma ez-estandarra duena, energia zinetiko negatibo bat bezala[50]. Ezohiko propietateak izan ditzakete: energia mamuak, adibidez, Big Rip bat eragin dezake.

Ikertzaile talde batek 2021ean argudiatu zuenez, Hubbleren tentsioaren behaketek esan nahi dute kintaesentziaren ereduak soilik direla bideragarriak, zero ez den akoplamendu-konstante batekin[51].

Teoria mota honek materia eta energia ilunaren teoria global bat landu nahi du, grabitatearen legeak hainbat eskalatara aldatzen dituen fenomeno bakar bat bezala. Honek, adibidez, energia iluna eta materia iluna substantzia ezezagun beraren alderdi ezberdinak bezala tratatu ahal izango lituzke, edo materia ilun hotza energia ilunean erortzen dela postulatu[52]. Materia iluna eta energia iluna bateratzen dituzten beste teoria mota batzuk grabitate eraldatuen teoria kobarianteak dira. Teoria horiek aldatu egiten dute espazioren dinamika, eta aldatutako dinamika energia eta materia ilunen presentziari esleitu zaionaren ondorio da. Printzipioz, energia ilunak sektore ilunaren gainerakoarekin ez ezik, materia arruntarekin ere elkarreragina izan dezake[53]. Hala ere, kosmologia ez da nahikoa energia ilunaren eta barioien arteko akoplamenduaren indarra eraginkortasunez murrizteko, eta, beraz, zeharkako beste teknika batzuk edo laborategian bilaketak egin behar dira[54]. Duela gutxi egindako proposamen baten arabera, Italiako XENON1T detektagailuan antzemandako gehiegizko balioan oinarrituta, gaur egun azaldu ezin dena, energia ilunaren eredu kameleoi partikula batek eragin du[55][56].

Energia ilunaren dentsitatea denboran zehar alda zitekeen unibertsoaren historian. Behaketa-datu modernoei esker, energia ilunaren egungo dentsitatea kalkula dezakegu. Barioien oszilazio akustikoak erabiliz, posible da energia ilunak unibertsoaren historian izan duen eragina ikertzea eta energia ilunaren egoera-ekuazioaren parametroak mugatzea. Horretarako, hainbat eredu proposatu dira. Ezagunenetako bat Chevallier-Polarski-Linder (CPL) modeloa da[57][58]. Beste eredu komun batzuk dira, (Barboza & Alcaniz. 2008)[59], (Jassal et al. 2005)[60], (Wetterich. 2004)[61], (Oztas et al. 2018)[62][63].

Energia ilunaren alternatiba batzuek, hala nola kosmologia ez-homogeneoak, behaketa-datuak azaldu nahi dituzte ezarritako teorien erabilera finago baten bidez. Agertoki honetan, energia iluna ez da benetan existitzen, eta neurketen artefaktu bat besterik ez da. Adibidez, espazioaren eskualde bat batez bestekoa baino hutsagoa bada, behatutako hedapen kosmikoaren tasa denboraren aldaketa batekin edo azelerazio batekin nahas liteke[64][65][66][67]. Beste ikuspegi batek baliokidetasun-printzipioaren hedapen kosmologikoa erabiltzen du espazioa gure tokiko kumulua inguratzen duten hutsuneetan azkarrago hedatzen dela nola eman dezakeen erakusteko. Nahiz eta ahulak izan, milaka milioi urtetan zehar metatutako efektu horiek esanguratsuak izan daitezke, azelerazio kosmiko baten ilusioa sortuz eta Hubbleren burbuila batean bizi garela pentsaraziz[68][69][70]. Hala ere, beste aukera batzuk dira unibertsoaren hedapen bizkorra gure mugimendu erlatiboak unibertsoaren gainerakoarekiko eragindako ilusioa izatea[71][72], edo erabilitako metodo estatistikoak okerrak izatea[73][74]. Halaber, bertako unibertsoaren anisotropia energia ilun gisa desitxuratua izan dela iradoki da. Baieztapen hori berehala ezeztatu zuten beste batzuek, D. Rubin eta J. Heitlauf fisikarien artikulu bat barne[75]. Laborategian zuzenean detektatzeko saiakera batek ez zuen energia ilunari lotutako indarrik detektatzea lortu[76].

2020an argitaratutako ikerketa batek zalantzan jarri zuen Ia motako supernoben argitasuna izar-populazioaren adinarekin aldatzen ez den funtsezko ustearen baliozkotasuna, eta energia iluna benetan existitu ez daitekeela iradokitzen du. Ikerketa berriaren ikertzaile nagusiak, Yonseiko Unibertsitateko Young-Wook Leek, esan zuen: "Gure emaitzak erakusten du SN kosmologiaren energia iluna, 2011ko Fisikako Nobel Saria ekarri zuena, suposizio hauskor eta faltsu baten tresna bat izan daitekeela"[77][78]. Beste kosmologo batzuek, hala nola Adam Riessek, energia iluna aurkitzeagatik 2011ko Nobel Saria irabazi zuenak, arazo ugari planteatu zituzten lan honekin[79].