Logo. Kredit: CosmoVerse

Moderní kosmologie prožívá fascinující, byť poněkud znepokojivé období. Standardní kosmologický model, známý jako ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter), který po dekády s pozoruhodnou přesností popisoval pozorovaný vesmír, se v posledních letech potýká s rostoucími nesrovnalostmi. Mezi různými typy pozorování se objevují statisticky významné rozdíly v určení klíčových kosmologických parametrů. Tyto "tenze" mohou signalizovat buď skryté systematické chyby v našich měřeních, nebo – což je vzrušující možnost – nutnost revidovat samotné základy našeho chápání vesmíru. V reakci na tuto výzvu vznikla rozsáhlá mezinárodní iniciativa CosmoVerse, která si klade za cíl tyto problémy systematicky prozkoumat a nalézt jejich řešení.

Pilíře standardní kosmologie: Model ΛCDM

Než se ponoříme do problémů, připomeňme si, na čem současný standardní model stojí. ΛCDM je elegantní teoretický rámec, který kombinuje několik klíčových komponent:

1. Obecná teorie relativity (OTR): Einsteinův popis gravitace jako geometrické vlastnosti časoprostoru tvoří základ pro popis dynamiky vesmíru ve velkých měřítkách.

2. Standardní model částicové fyziky: Zahrnuje všechny známé elementární částice (kvarky, leptony, bosony) a jejich interakce (silná, slabá, elektromagnetická).

3. Studená temná hmota (Cold Dark Matter - CDM): Hypotetická forma hmoty, která neinteraguje elektromagneticky (je neviditelná), ale má zásadní gravitační vliv. Tvoří většinu hmoty ve vesmíru a je klíčová pro formování struktur jako galaxie a kupy galaxií. Je "studená", protože její částice měly v raném vesmíru nerelativistické rychlosti.

4. Kosmologická konstanta (Λ): Reprezentuje nejjednodušší formu temné energie, která má konstantní hustotu v čase a prostoru a způsobuje pozorované zrychlené rozpínání současného vesmíru.

5. Kosmická inflace: Hypotetická fáze extrémně rychlé exponenciální expanze vesmíru zlomek sekundy po Velkém třesku, která vysvětluje plochost vesmíru, jeho homogenitu ve velkých měřítkách a původ prvotních fluktuací hustoty.

Tento model byl nesmírně úspěšný. Poskytl vynikající shodu s precizními měřeními anizotropií reliktního záření (CMB) – ozvěny Velkého třesku, s pozorováními velkoškálových struktur (LSS) ve vesmíru (rozložení galaxií a kup galaxií), s predikcemi primordiální nukleosyntézy (BBN) – vzniku lehkých prvků v prvních minutách existence vesmíru, a s mnoha dalšími astrofyzikálními daty.

Objevující se trhliny: H₀​ a S₈​ tenze

Navzdory úspěchům se v posledním desetiletí vynořily znepokojivé neshody, tzv. tenze. Nejvýznamnější z nich je tenze v Hubbleově konstantě (H₀​). Tento parametr popisuje současnou rychlost rozpínání vesmíru.

• Měření z raného vesmíru: Analýzy dat z CMB, zejména z mise Planck Evropské kosmické agentury (ESA), v kombinaci s daty o baryonových akustických oscilacích (BAO) z rozložení galaxií, vedou k hodnotě H0​ přibližně 67−68 km.s⁻¹.Mpc⁻¹. Tyto metody extrapolují fyziku raného vesmíru (cca 380 000 let po Velkém třesku) do současnosti za předpokladu platnosti ΛCDM.

• Měření z pozdního (blízkého) vesmíru: Přímá měření založená na tzv. "kosmologickém žebříčku vzdáleností" využívají standardní svíčky jako hvězdy typu Cefeid a supernovy typu Ia. Projekty jako SH0ES (Supernovae, H0, for the Equation of State of Dark Energy), využívající data například z Hubbleova vesmírného dalekohledu (HST), systematicky nacházejí vyšší hodnotu, typicky kolem 73−74 km.s⁻¹.Mpc⁻¹.

Rozdíl mezi těmito hodnotami dosahuje statistické významnosti na úrovni 4 až 6σ (v závislosti na konkrétních použitých datových sadách a analýzách), což je velmi těžké vysvětlit pouhou náhodou nebo standardními statistickými fluktuacemi.

Shrnutí odhadů H₀ z různých kosmologických sond s rozměry přesahujícími 3,5 km.s⁻¹.Mpc⁻¹. Zdroj: The CosmoVerse White Paper. The CosmoVerse Network. arXiv:2504.01669

Další významnou neshodou je tenze v parametru S₈​. Tento parametr kvantifikuje amplitudu fluktuací hustoty hmoty ve vesmíru v měřítku 8 megaparseků (S_8​=σ₈​Ω_m​/0.3​, kde σ₈​ je rozptyl fluktuací hustoty a Ω_m​ je hustotní parametr hmoty).

• Predikce z CMB (Planck) v rámci ΛCDM naznačují vyšší hodnotu S_8​.

• Měření z pozorování pozdního vesmíru, zejména pomocí slabé gravitační čočky (měření deformace obrazů vzdálených galaxií způsobené hmotou v popředí) a počtů kup galaxií, mají tendenci dávat nižší hodnotu S₈​. Tato tenze je obvykle považována za méně statisticky významnou (cca 2-3σ), ale přesto je konzistentně pozorována v různých nezávislých datasetech.

Základní fyzika nabízí řadu možných řešení, jak se vypořádat s problémem napětí v kosmologii. Zdroj: The CosmoVerse White Paper. The CosmoVerse Network. arXiv:2504.01669

Možné příčiny: Systematika versus nová fyzika

Jak tyto znepokojivé diskrepance vysvětlit? Vědecká komunita zvažuje dvě hlavní kategorie možných příčin:

1. Nezapočtené systematické chyby: Každá komplexní kosmologická sonda je náchylná ke skrytým chybám a nepřesnostem. U CMB to mohou být problémy s odečtením signálů z naší Galaxie (foregrounds, popředí) nebo kalibrací detektorů. U žebříčku vzdáleností může jít o neúplné pochopení fyziky Cefeid, kalibraci jejich vztahu perioda-svítivost, standardizaci svítivosti supernov typu Ia, nebo třeba efekty prachu. U slabé čočky a kup galaxií jsou klíčové přesná kalibrace měření "smyku" (shear calibration) a odhad hmotností kup. Je možné, že kombinace několika menších, dosud neidentifikovaných systematických efektů v různých měřeních dohromady vytváří pozorované tenze. Odhalit a kvantifikovat tyto efekty je extrémně náročné.

2. Potřeba nové fundamentální fyziky: Pokud systematické chyby nejsou dostatečným vysvětlením, pak tenze mohou být prvním signálem, že ΛCDM model je pouze aproximací a vesmír se řídí bohatší fyzikou. Teoretici navrhují řadu možných rozšíření standardního modelu:

   • Dynamická temná energie: Místo kosmologické konstanty Λ by temná energie mohla mít hustotu měnící se v čase (např. kvintesence).

   • Interakce v temném sektoru: Temná hmota a temná energie by nemusely být zcela oddělené, ale mohly by spolu slabě interagovat.

   • Modifikovaná gravitace: Obecná teorie relativity by mohla vyžadovat úpravy na kosmologických škálách.

   • Novinky v raném vesmíru: Mohla by existovat dodatečná energie v podobě dalších relativistických částic (ovlivňující N_eff​, efektivní počet neutrinových druhů), nebo by mohl být proces rekombinace (vzniku neutrálních atomů) složitější, než se předpokládá.

   • Exotické modely temné hmoty: Vlastnosti temné hmoty by mohly být jiné než u jednoduché "studené" varianty.

Výzvou je najít model, který by konzistentně vysvětlil všechny pozorované tenze, aniž by narušil dosavadní úspěchy ΛCDM v jiných oblastech.

Iniciativa CosmoVerse: Koordinovaný útok na problém

Právě komplexnost problému vedla ke vzniku iniciativy CosmoVerse. Jak je podrobně popsáno v nedávno publikované "Bílé knize", pod kterou jsou podepsány stovky vědců z celého světa (jak dokládá rozsáhlý seznam autorů a afiliací v originálním dokumentu), cílem je vytvořit strategický rámec pro výzkum kosmologických tenzí v příštím desetiletí.

CosmoVerse se zaměří na koordinaci úsilí v několika klíčových oblastech:

• Zlepšení a křížová kontrola dat: Podpora nových pozorování a preciznější analýza stávajících dat s důrazem na identifikaci a minimalizaci systematických chyb.

• Pokročilé simulace: Vývoj numerických simulací schopných modelovat vesmír s vyšší přesností a testovat vliv různých systematických efektů i alternativních kosmologických modelů.

• Teoretický vývoj: Prozkoumávání a testování nových teoretických modelů za hranicemi ΛCDM.

• Nové statistické metody: Vývoj robustnějších statistických nástrojů pro porovnávání modelů s daty a pro kombinaci informací z různých kosmologických sond.

Klíčovým aspektem bude synergie mezi různými experimenty a metodami. Pouze kombinací a vzájemnou kontrolou výsledků z různých typů pozorování (CMB, LSS, supernovy, gravitační čočkování, atd.) lze doufat v robustní závěry.

Kosmologie na křižovatce, kredit: MS Copilot AI

Výhled: Křižovatka kosmologie

Nacházíme se na potenciálně přelomovém bodě v dějinách kosmologie. Odhalení příčiny současných tenzí – ať už půjde o potvrzení skrytých systematických chyb, nebo o objev nové fundamentální fyziky – zásadně ovlivní naše chápání vesmíru. CosmoVerse White Paper představuje ambiciózní plán, jak se k tomuto cíli dopracovat. Následující dekáda tak slibuje být pro kosmologii mimořádně vzrušující.

Video: Proč kosmologie? Co je CosmoVerse?

Zdroj: The CosmoVerse White Paper: Addressing observational tensions in cosmology with systematics and fundamental physics. The CosmoVerse Network. arXiv:2504.01669 [astro-ph.CO] (Apr 2025).

Další čtení: https://cosmoversetensions.eu/