UC Davis'li matematikçiler: Evrenin ivmelenmesi karanlık enerji olmadan da açıklanabilir

Kaliforniya Üniversitesi Davis (UC Davis) kampüsünden matematikçiler, modern kozmolojinin en yerleşik açıklamalarından birine meydan okuyor: evrenin genişlemesini hızlandıran şeyin karanlık enerji olduğu fikrine. Proceedings of the Royal Society A'da yayımlanan çalışmada araştırmacılar, standart evren modelinin temelindeki matematiksel çözümlerin kararsız olduğunu ve gözlenen ivmelenmenin Einstein'ın kuramından, ek bir enerji biçimine gerek kalmadan doğabileceğini savunuyor. Makale C. Alexander, Blake Temple ve Z. Vogler imzasını taşıyor.

Karanlık enerji nereden çıktı?

Einstein 1915'te genel görelilik kuramını, yani kütleçekimini uzay ve zamanın eğriliği olarak tanımlayan kuramı ortaya koyduğunda evrenin durağan olduğunu düşünüyordu. Denklemlerini bu varsayıma uydurmak için kütleçekimine karşı koyan bir terim, "kozmolojik sabit"i ekledi. Edwin Hubble 1929'da evrenin genişlediğini gösterince Einstein bu sabiti en büyük hatası olarak nitelendirdi; çünkü onsuz denklemler genişleyen bir evreni öngörebilirdi.

Kozmolojik sabit 1990'larda geri döndü: Gökbilimciler evrenin yalnızca genişlemediğini, genişlemesinin hızlandığını keşfetti. Bu hızlanmadan sorumlu tutulan bilinmeyen bileşene karanlık enerji adı verildi ve kozmolojik sabitle özdeşleştirildi. Bugün Büyük Patlama'nın standart modeli olan Lambda-soğuk karanlık madde (Lambda-CDM) modeli, maddenin her an uzayda eşit dağıldığını varsayan Friedmann evren çözümleri üzerine kurulu. Son yıllarda karanlık enerjinin zamanla değişiyor olabileceğine dair gözlemsel ipuçları da tartışılıyor.

Ucunda duran kalem

Çalışmanın sorumlu yazarı, UC Davis'te matematik bölümünün onursal profesörü Blake Temple, standart modeli ucunun üzerinde dik duran bir kaleme benzetiyor: Bütün kuvvetler dengede olduğu için bu bir "denklem çözümü", ama en küçük esintide devriliyor. Temple'a göre fizikte kararsız çözümler gerçek dışı kabul ediliyor, çünkü doğada asla gözlenmezler.

Ekip, genel göreliliği akışkanların davranışını tanımlayan denklemlerle birleştiren Einstein-Euler denklemlerini inceledi. Araştırmacılar daha önceki çalışmalarında bu denklemlerin "öz-benzer" bir biçimini türetmişti; öz-benzer çözümler, ölçek değiştiğinde de yapısını koruyan desenleri tanımlıyor. Yeni makalede standart modeli bu denklemlerin bir "durgun noktası" olarak temsil eden ekip, küçük sapmaların zamanla sönüp sönmediğini ya da büyüyüp büyümediğini sistematik olarak inceleyebildi.

UC Davis'in açıklamasına göre sonuç, Friedmann çözümlerinin Büyük Patlama'da hem küçük hem büyük ölçeklerde kararsız olduğu yönünde. Temple, tıpkı Einstein'ın durağan modeli gibi Friedmann uzay-zamanlarının da büyük ölçeklerde merkezden dışa doğru değişen (radyal) bozulmalara karşı kararsız olduğunu kanıtladıklarını ve bunun Lambda-CDM'yi, karanlık enerji olsun ya da olmasın, Einstein denklemlerinin kararlı bir çözümü olarak dışarıda bıraktığını söylüyor.

Merkez sorunu: Kopernik ilkesi

Ekibin önerdiği alternatifte evren, simetri merkezinin yakınında standart modele çok benzer davranıyor, ancak merkezden uzaklaştıkça Friedmann modelinden sapan ve ivmelenme gibi görünen bir genişleme ortaya çıkıyor. Bu da Kopernik ilkesini, yani gözlemcinin evrende ayrıcalıklı bir konumda olmadığı varsayımını gündeme getiriyor: Küresel simetrik bir modelin gözlemlerle uyuşması için bizim belirli bir yerde bulunmamız gerekebilir. Temple ise hem Lambda-CDM'nin hem de küresel simetrik bir uzay-zamanın, modelin akla yatkın olması için bizim bulunmamız gereken özel bir yer ürettiğini, bu ilke birini dışlıyorsa ötekini de dışlaması gerektiğini savunuyor.

Sınırlar ve sıradaki adım

Çalışma tamamen kuramsal; karanlık enerjinin gereksiz olduğunu gösteren bir gözlem değil, standart modelin matematiksel temeline yöneltilmiş bir eleştiri. Önerilen alternatifin gerçek evreni tanımlayıp tanımlamadığı, öngörülerinin süpernova uzaklıkları, kozmik mikrodalga arka ışıması ve gökada haritaları gibi gözlemlerle ne ölçüde uyuştuğunun gösterilmesine bağlı. Lambda-CDM şu ana kadar bu verilerin büyük bölümünü başarıyla açıkladığı için iddianın kozmoloji camiasında geniş kabul görmesi, ayrıntılı gözlemsel sınamalardan geçmesine bağlı olacak. Araştırma, Birleşik Krallık Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi ile Amerikan Matematik Enstitüsü'nün SQuaREs programınca desteklendi.