SuperNova / pospešek sonde, SNAP. Kreditna slika: Berkeley Lab Kliknite za povečavo
Kaj je skrivnostna temna energija, ki povzroča pospešitev širjenja vesolja? Ali gre za neko obliko slavne kozmološke konstante Einsteina ali je to eksotična odbojna sila, imenovana "kvintesenca", ki lahko sestavlja kar tri četrtine vesolja? Znanstveniki iz nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) in Dartmouth College verjamejo, da obstaja način, kako to ugotoviti.
V prispevku, objavljenem v reviji Physical Review Letters, fiziki Eric Linder iz Berkeley Lab in Robert Caldwell iz Dartmoutha kažejo, da je fizične modele temne energije mogoče ločiti na različne scenarije, kar bi lahko uporabili za izključitev Einsteinove kozmološke konstante in razlago narave temne energije. Poleg tega bi morali znanstveniki ugotoviti, kateri od teh scenarijev je pravilen, saj bodo poskusi načrtovani za skupno misijo za temno energijo (JDEM), ki sta jo predlagala NASA in ameriško ministrstvo za energijo.
"Znanstveniki trdijo vprašanje," kako natančno moramo meriti temno energijo, da vemo, kaj je to? "Pravi Linder. „Kar smo storili v našem prispevku, so meje natančnosti meritev. Na srečo bi morale biti te meje v obsegu eksperimentov JDEM. "
Linder in Caldwell sta člana ekipe znanstvene opredelitve DOE-NASA za JDEM, ki je odgovorna za pripravo znanstvenih zahtev misije. Linder je vodja teoretske skupine za SNAP? sonda SuperNova / pospešek, eno od predlaganih vozil za izvajanje misije JDEM. Caldwell, profesor fizike in astronomije v Dartmouthu, je eden od nosilcev koncepta kvintesence.
Linder in Caldwell v svojem prispevku za fizični pregled opisujeta dva scenarija, enega imenujeta "odtajevanje" in enega "zamrzovanje", ki kažeta na bistveno drugačne usode našega vesolja, ki se stalno širi. Po scenariju odmrzovanja se bo pospeševanje širitve postopoma zmanjševalo in se sčasoma ustavilo, kot avtomobil, ko voznik popusti na stopalki plina. Razširitev se lahko nadaljuje počasneje ali pa se vesolje celo ponovno zakliče. Po scenariju zamrznitve se pospeševanje nadaljuje v nedogled, kot avtomobil s stopalko za plin, pritisnjeno na tla. Vesolje bi postajalo vse bolj razpršeno, dokler se sčasoma naša galaksija ne bi znašla sama v vesolju.
Noben od teh dveh scenarijev ne izključuje Einsteinove kozmološke konstante. V prispevku Linder in Caldwell prvič prikazujeta, kako očitno ločiti Einsteinovo idejo od drugih možnosti. V vsakem primeru pa je temna energija sila, ki jo je treba upoštevati.
Linder pravi: "Ker temna energija predstavlja približno 70 odstotkov vsebine vesolja, ta prevladuje nad vsebino snovi. To pomeni, da bo temna energija upravljala s širjenjem in na koncu določila usodo vesolja. "
Leta 1998 sta dve raziskovalni skupini raziskovali področje kozmologije s svojimi neodvisnimi sporočili, da se širjenje vesolja pospešuje. Z merjenjem rdečega premika svetlobe s supernovae tipa Ia, zvezd iz globokega vesolja, ki eksplodirajo z značilno energijo, so ekipe iz projekta Cosmology Supernova s sedežem v laboratoriju Berkeley in iskalna ekipa High-Z Supernova s središčem v Avstraliji ugotovila, da širitev vesolja dejansko pospešuje, ne upočasnjuje. Neznana sila za to pospešeno ekspanzijo je dobila ime "temna energija."
Pred odkritjem temne energije je običajna znanstvena modrost veljala, da je zaradi velikega poka prišlo do širitve vesolja, ki bi jo gravitacija postopoma upočasnila. Če bi vsebina snovi v vesolju zagotovila dovolj težnosti, bi se nekega dne širjenje povsem ustavilo in vesolje bi v velikem krču spet padlo nase. Če gravitacija iz materije ne bi bila dovolj za popolno zaustavitev širitve, bi vesolje še vedno plavalo narazen.
"Iz napovedi v letu 1998 in nadaljnjih meritev zdaj vemo, da se pospešeno širjenje vesolja ni začelo šele nekje v zadnjih 10 milijard letih," pravi Caldwell.
Kozmologi se zdaj prepirajo, da bi ugotovili, kaj točno je temna energija. Leta 1917 je Einstein svojo Splošno teorijo relativnosti spremenil s kozmološko konstanto, ki bi, če bi bila vrednost prava, omogočila, da bi vesolje obstajalo v popolnoma uravnoteženem statičnem stanju. Čeprav bo najslavnejši fizik v zgodovini pozneje dodal to konstanto imenoval "največja napaka", je odkrivanje temne energije oživilo idejo.
"Kozmološka konstanta je bila energija vakuuma (energija praznega prostora), ki je zadrževala gravitacijo, da je vesolje vlekla vase," pravi Linder. "Problem s kozmološko konstanto je, da je ta konstantna, z enako gostoto energije, tlakom in enačbo stanja v času. Temna energija pa je morala biti v najzgodnejših fazah vesolja zanemarljiva; sicer galaksije in vse njihove zvezde ne bi nikoli nastale. "
Da bi lahko Einsteinova kozmološka konstanta prišla v vesolje, ki ga vidimo danes, bi morala biti energijska lestvica za veliko velikost manjša kot karkoli drugega v vesolju. Čeprav je to mogoče, pravi Linder, se zdi, da to ni verjetno. Vnesite koncept "kvintesenca", imenovana po petem elementu starih Grkov, poleg zraka, zemlje, ognja in vode; verjeli so, da je to sila, ki drži luno in zvezde na mestu.
"Kvintesenca je dinamična, časovno spreminjajoča se in prostorsko odvisna oblika energije z negativnim tlakom, ki zadošča za pospeševanje širitve," pravi Caldwell. „Medtem ko je kozmološka konstanta zelo specifična oblika energije? vakuumska energija? kvintesenca vključuje širok razred možnosti. "
Da bi omejili možnosti za kvintesenco in zagotovili trdne cilje za osnovne teste, ki bi tudi potrdili njegovo kandidaturo za vir temne energije, sta Linder in Caldwell kot svoj model uporabila skalarno polje. Skalarno polje ima merilo vrednosti, ne pa smeri vseh točk v prostoru. S tem pristopom so avtorji lahko prikazali kvintesenco kot skalarno polje, ki sprosti svojo potencialno energijo na minimalno vrednost. Pomislite na niz vzmeti pod napetostjo in izvajajte negativni pritisk, ki nasprotuje pozitivnemu gravitacijskemu tlaku.
"Skalarno polje kvintesenc je kot polje vzmeti, ki pokriva vsako točko v prostoru, pri čemer se vsaka vzmet razteza na drugačno dolžino," je dejal Linder. "Za Einsteinovo kozmološko konstanto bi bila vsaka pomlad enaka dolžina in nepremična."
Po njihovem scenariju odmrzovanja je bila potencialna energija polja kvintesence "zamrznjena" na mestu, dokler se upadajoča gostota materiala v razširjenem vesolju postopoma ni sprostila. V scenariju zamrznitve se polje kvintezence giblje proti svojemu najmanjšemu potencialu, odkar je vesolje doživelo inflacijo, a ko prevladuje v vesolju, postopoma postaja konstantna vrednost.
Predlog SNAP je v raziskavah in razvoju fizikov, astronomov in inženirjev v Berkeley laboratoriju v sodelovanju s kolegi iz kalifornijske univerze v Berkeleyju in mnogih drugih institucij; zahteva tri zrcalni 2-metrski odsevni teleskop v orbiti globokega vesolja, ki bi ga uporabljali za iskanje in merjenje na tisoče supernov tipa Ia vsako leto. Te meritve bi morale zagotoviti dovolj informacij, da bi lahko jasno kazali na scenarij odmrzovanja ali zamrzovanja? ali na kaj drugega povsem novega in neznanega.
Linder pravi: "Če rezultati meritev, kot so tiste, ki jih je mogoče opraviti s SNAP, ležijo zunaj scenarijev odmrzovanja ali zamrzovanja, potem bomo morda morali pogledati onstran kvinteence, morda še bolj eksotične fizike, kot je modifikacija Einsteinove splošne teorije relativnosti za razlago temne energije. "
Izvirni vir: Berkeley Lab News Release
