Sonda SuperNova / Acceleration, SNAP. Źródło zdjęcia: Berkeley Lab Kliknij, aby powiększyć
Jaka jest tajemnicza ciemna energia, która powoduje przyspieszenie ekspansji wszechświata? Czy to jakaś forma słynnej stałej kosmologicznej Einsteina, czy może egzotyczna siła odpychająca, nazwana „kwintesencją”, która mogłaby stanowić nawet trzy czwarte kosmosu? Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i Dartmouth College uważają, że istnieje sposób, aby się tego dowiedzieć.
W artykule, który ma zostać opublikowany w Physical Review Letters, fizycy Eric Linder z Berkeley Lab i Robert Caldwell z Dartmouth pokazują, że modele fizyki ciemnej energii można podzielić na odrębne scenariusze, których można by użyć do wykluczenia stałej kosmologicznej Einsteina i wyjaśnienia natury ciemnej energii. Co więcej, naukowcy powinni być w stanie ustalić, który z tych scenariuszy jest poprawny, dzięki eksperymentom planowanym dla wspólnej misji ciemnej energii (JDEM) zaproponowanej przez NASA i Departament Energii USA.
„Naukowcy spierają się z pytaniem„ jak dokładnie musimy mierzyć ciemną energię, aby wiedzieć, co to jest? ”- mówi Linder. „To, co zrobiliśmy w naszym artykule, sugeruje granice precyzji pomiarów. Na szczęście limity te powinny mieścić się w zakresie eksperymentów JDEM. ”
Linder i Caldwell są członkami zespołu ds. Definicji nauki DOE-NASA dla JDEM, który odpowiada za opracowanie wymagań naukowych misji. Linder jest liderem grupy teorii SNAP? sonda SuperNova / Acceleration Probe, jeden z proponowanych pojazdów do realizacji misji JDEM. Caldwell, profesor fizyki i astronomii w Dartmouth, jest jednym z twórców koncepcji kwintesencji.
W swoim artykule w Physical Review Letters Linder i Caldwell opisują dwa scenariusze, jeden nazywają „rozmrażaniem”, a drugi „zamrażaniem”, które wskazują na wyraźnie różne losy naszego stale rozszerzającego się wszechświata. W scenariuszu rozmrażania przyspieszenie ekspansji stopniowo maleje i ostatecznie zatrzymuje się, jak samochód, gdy kierowca zwalnia pedał gazu. Ekspansja może trwać wolniej, a wszechświat może się nawet zapaść. W scenariuszu zamrażania przyspieszenie trwa przez czas nieokreślony, podobnie jak samochód z pedałem gazu wciśniętym na podłogę. Wszechświat będzie coraz bardziej rozproszony, aż w końcu nasza galaktyka znajdzie się sama w kosmosie.
Każdy z tych dwóch scenariuszy wyklucza stałą kosmologiczną Einsteina. W swoim artykule Linder i Caldwell po raz pierwszy pokazują, jak w czysty sposób oddzielić pomysł Einsteina od innych możliwości. Jednak w każdym scenariuszu ciemna energia jest siłą, z którą należy się liczyć.
Linder mówi: „Ponieważ ciemna energia stanowi około 70 procent zawartości wszechświata, dominuje nad zawartością materii. Oznacza to, że ciemna energia będzie rządzić ekspansją i ostatecznie zadecyduje o losie wszechświata. ”
W 1998 r. Dwie grupy badawcze wstrząsnęły kosmologią, publikując niezależne ogłoszenia, że ekspansja wszechświata przyspiesza. Mierząc przesunięcie ku czerwieni supernowych typu Ia, kosmicznych gwiazd eksplodujących z charakterystyczną energią, zespoły z Supernova Cosmology Project z siedzibą w Berkeley Lab i High-Z Supernova Search Team z Australii stwierdzili, że ekspansja wszechświata przyspiesza, a nie zwalnia. Nieznana siła stojąca za tym przyspieszonym rozszerzeniem otrzymała nazwę „ciemna energia”.
Przed odkryciem ciemnej energii konwencjonalna mądrość naukowa utrzymywała, że Wielki Wybuch spowodował ekspansję wszechświata, który stopniowo będzie spowalniany przez grawitację. Gdyby zawartość materii we wszechświecie zapewniała wystarczającą grawitację, pewnego dnia ekspansja całkowicie by się zatrzymała, a wszechświat upadłby na siebie w Wielkim Kryzysie. Gdyby grawitacja materii była niewystarczająca, aby całkowicie zatrzymać ekspansję, wszechświat dalej rozpadałby się na zawsze.
„Z ogłoszeń z 1998 r. I późniejszych pomiarów wiemy, że przyspieszona ekspansja wszechświata rozpoczęła się dopiero w ciągu ostatnich 10 miliardów lat”, mówi Caldwell.
Kosmolodzy starają się teraz ustalić, czym dokładnie jest ciemna energia. W 1917 roku Einstein poprawił swoją ogólną teorię względności o stałą kosmologiczną, która, jeśli wartość była odpowiednia, pozwoliłaby wszechświatowi istnieć w idealnie zrównoważonym, statycznym stanie. Chociaż najsławniejszy fizyk w historii nazwałby później dodanie tej stałej „największym błędem”, odkrycie ciemnej energii ożywiło ten pomysł.
„Stała kosmologiczna była energią próżni (energia pustej przestrzeni), która powstrzymywała grawitację przed przyciągnięciem wszechświata do siebie”, mówi Linder. „Problem ze stałą kosmologiczną polega na tym, że jest ona stała, z tą samą gęstością energii, ciśnieniem i równaniem stanu w czasie. Ciemna energia musiała być jednak znikoma na najwcześniejszych etapach wszechświata; inaczej galaktyki i wszystkie ich gwiazdy nigdy by się nie uformowały. ”
Aby kosmologiczna stała Einsteina spowodowała powstanie wszechświata, jaki widzimy dzisiaj, skala energii musiałaby być o wiele rzędów wielkości mniejsza niż cokolwiek innego we wszechświecie. Chociaż może to być możliwe, mówi Linder, nie wydaje się prawdopodobne. Wprowadź pojęcie „kwintesencji”, nazwanej na cześć piątego elementu starożytnych Greków, oprócz powietrza, ziemi, ognia i wody; wierzyli, że to siła utrzymuje księżyc i gwiazdy na miejscu.
„Kwintesencja jest dynamiczną, ewoluującą w czasie i zależną od przestrzeni formą energii o ujemnym ciśnieniu wystarczającym do napędzania przyspieszającej ekspansji”, mówi Caldwell. „Podczas gdy stała kosmologiczna jest bardzo specyficzną formą energii? energia próżniowa? kwintesencja obejmuje szeroką klasę możliwości. ”
Aby ograniczyć możliwości kwintesencji i zapewnić twarde cele dla podstawowych testów, które również potwierdziłyby jej kandydaturę jako źródła ciemnej energii, Linder i Caldwell zastosowali jako model pole skalarne. Pole skalarne ma miarę wartości, ale nie kierunek dla wszystkich punktów w przestrzeni. Dzięki takiemu podejściu autorzy byli w stanie wykazać kwintesencję jako pole skalarne rozluźniające swoją energię potencjalną do minimalnej wartości. Pomyśl o zestawie sprężyn naciągniętych i wywierających podciśnienie, które przeciwdziała dodatniemu ciśnieniu grawitacyjnemu.
„Kwarcowe pole skalarne jest jak pole sprężyn pokrywające każdy punkt w przestrzeni, z każdą sprężyną rozciągniętą na inną długość”, powiedział Linder. „Dla kosmologicznej stałej Einsteina każda sprężyna byłaby tej samej długości i bez ruchu”.
Zgodnie z ich scenariuszem rozmrażania energia potencjalna pola kwintesencji była „zamrożona” na swoim miejscu, dopóki malejąca gęstość materiału rozszerzającego się wszechświata stopniowo go nie uwolniła. W scenariuszu zamrożenia pole kwintesencji zbliża się do swojego minimalnego potencjału, odkąd wszechświat przeszedł inflację, ale gdy zaczyna dominować we wszechświecie, stopniowo staje się stałą wartością.
Propozycja SNAP dotyczy badań i rozwoju przeprowadzanych przez fizyków, astronomów i inżynierów w Berkeley Lab, we współpracy z kolegami z University of California w Berkeley i wieloma innymi instytucjami; Wzywa do tego trzywierciadłowy, 2-metrowy teleskop odbijający na orbicie kosmicznej, który byłby używany do wyszukiwania i mierzenia tysięcy supernowych typu Ia każdego roku. Pomiary te powinny dostarczyć wystarczających informacji, aby wyraźnie wskazać na scenariusz rozmrażania lub zamrażania? lub do czegoś zupełnie nowego i nieznanego.
Linder mówi: „Jeśli wyniki pomiarów, takich jak te, które można wykonać za pomocą SNAP, leżą poza scenariuszami rozmrażania lub zamrażania, możemy być zmuszeni spojrzeć poza kwintesencję, być może nawet na bardziej egzotyczną fizykę, na przykład modyfikację ogólnej teorii Einsteina względności, aby wyjaśnić ciemną energię. ”
Oryginalne źródło: Berkeley Lab News Release
