SuperNova / kiihtyvyysanturi, SNAP. Kuvaluotto: Berkeley Lab Klikkaa suuremmaksi
Mikä on salaperäinen pimeä energia, joka aiheuttaa maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtyvän? Onko se jonkinlainen Einsteinin kuuluisasta kosmologisesta vakiosta, vai onko se eksoottinen vastenmielinen voima, jota kutsutaan ”kvintesenssiksi” ja joka voi muodostaa jopa kolme neljäsosaa kosmosta? Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion (Berkeley Lab) ja Dartmouth-yliopiston tutkijat uskovat olevan tapa selvittää.
Physical Review Letters -lehdessä julkaistavassa lehdessä fyysikot Eric Linder Berkeley Labista ja Robert Caldwell Dartmouthista osoittavat, että pimeän energian fysiikkamallit voidaan jakaa erillisiin skenaarioihin, joita voidaan käyttää Einsteinin kosmologisen vakion sulkemiseen ja selittämään luonteen luonne pimeästä energiasta. Lisäksi tutkijoiden olisi voitava päättää, mikä näistä skenaarioista on oikein NASA: n ja Yhdysvaltain energiaministeriön ehdottaman kokeilun yhteydessä yhteiseen pimeän energian operaatioon (JDEM).
"Tutkijat ovat kiistäneet kysymyksen" kuinka tarkkaan meidän on mitata tumma energia tietääksemme mikä se on? "", Linder sanoo. ”Mitä olemme tehneet paperissamme, on ehdottaa mittausten tarkkuusrajoja. Onneksi näiden rajojen tulisi olla JDEM-kokeiden alueella. "
Linder ja Caldwell ovat molemmat JDEM: n DOE-NASA-tiedemäärittelyryhmän jäseniä, jotka vastaavat tehtävän tieteellisten vaatimusten laatimisesta. Linder on SNAP: n teoriaryhmän johtaja? SuperNova / kiihtyvyysanturi, yksi ehdotetuista ajoneuvoista JDEM-tehtävän suorittamiseen. Dartmouthin fysiikan ja tähtitieteen professori Caldwell on yksi kvintesenssikonseptin perustajista.
Fyysisen katsauksen kirjeessään Linder ja Caldwell kuvaavat kahta skenaariota, joista toista kutsutaan ”sulatukseksi” ja toista ”jäätymistä”, jotka osoittavat selvästi erilaisiin kohtaloihin pysyvästi laajenevaan maailmankaikkeuteen. Sulatustilanteen mukaan laajenemisen kiihtyvyys vähenee vähitellen ja lopulta pysähtyy, kuten auto, kun kuljettaja keventyy kaasupolkimen päälle. Laajeneminen voi jatkua hitaammin tai maailmankaikkeus saattaa jopa romahtaa uudelleen. Jäätymisskenaarion mukaan kiihtyvyys jatkuu toistaiseksi, kuten auto, jonka kaasupoljin työnnetään lattiaan. Universumi muuttuisi yhä hajanaisemmaksi, kunnes lopulta galaksiamme löytäisivät itsensä yksin avaruudessa.
Kumpikin näistä kahdesta skenaariosta sulkee pois Einsteinin kosmologisen vakion. Linder- ja Caldwell-esityksessään ensimmäisen kerran heidän paperissaan erotetaan Einsteinin idea puhtaasti muista mahdollisuuksista. Missä tahansa skenaariossa tumma energia on kuitenkin voima, jonka kanssa on otettava huomioon.
Linder sanoo: ”Koska tumma energia muodostaa noin 70 prosenttia maailmankaikkeuden sisällöstä, se hallitsee aineen sisältöä. Tämä tarkoittaa sitä, että tumma energia hallitsee laajentumista ja lopulta määrää maailmankaikkeuden kohtalon. ”
Vuonna 1998 kaksi tutkimusryhmää koski kosmologian alaa riippumattomilla ilmoituksillaan, että maailmankaikkeuden laajentuminen on kiihtymässä. Mittaamalla valon punasiirtymää tyypin Ia supernovoista, ominaisella energialla räjähtävistä syvän avaruuden tähdistä, Berkeley Labissa sijaitsevan Supernovan kosmologiaprojektin ja Australiaan keskittyneen High-Z Supernova -työryhmän ryhmät määrittivät, että maailmankaikkeuden laajeneminen todella kiihtyy, ei hidasta. Tämän kiihtyneen laajenemisen tuntemattomalle voimalle annettiin nimi ”tumma energia”.
Ennen pimeän energian löytämistä tavanomainen tieteellinen viisaus katsoi, että iso räjähdys oli johtanut maailmankaikkeuden laajenemiseen, jota painovoima hidastaa vähitellen. Jos maailmankaikkeuden ainepitoisuus tarjoaisi tarpeeksi painovoimaa, eräänä päivänä laajentuminen pysähtyisi kokonaan ja maailmankaikkeus putoaa takaisin itsensä päälle iso romahdus. Jos aineen painovoima ei olisi riittänyt pysäyttämään kokonaan, maailmankaikkeus jatkoi kelluvuutta toisistaan ikuisesti.
"Vuoden 1998 ilmoituksista ja myöhemmistä mittauksista tiedämme nyt, että maailmankaikkeuden kiihtynyt laajentuminen alkoi vasta jostain viimeisen 10 miljardin vuoden aikana", Caldwell sanoo.
Kosmologit ryöstävät nyt selvittääkseen mitä pimeä energia on. Vuonna 1917 Einstein muutti suhteellisuusteoriaansa kosmologisella vakiona, joka, jos arvo olisi oikea, sallisi maailmankaikkeuden olemassaolon täysin tasapainoisessa, staattisessa tilassa. Vaikka historian tunnetuin fyysikko kutsui myöhemmin tämän vakion lisäämistä hänen "suurimmaksi vääräksi", pimeän energian löytäminen on herättänyt ajatuksen.
"Kosmologinen vakio oli tyhjiöenergia (tyhjän tilan energia), joka esti painovoiman vetämästä maailmankaikkeutta itseensä", Linder sanoo. ”Kosmologisen vakion ongelma on, että se on vakio, samalla energian tiheydellä, paineella ja tilan yhtälöllä ajan myötä. Pimeän energian oli kuitenkin oltava vähäpätöistä maailmankaikkeuden varhaisimmissa vaiheissa; muuten galaksit ja kaikki niiden tähdet eivät olisi koskaan muodostuneet. ”
Jotta Einsteinin kosmologinen vakio johtaisi nykypäivän maailmankaikkeuteen, energia-asteikon tulisi olla monen suuruusluokkaa pienempi kuin mikään muu maailmankaikkeudessa. Vaikka tämä saattaa olla mahdollista, Linder sanoo, se ei vaikuta todennäköiseltä. Kirjoita käsite "kvintesenssi", joka on nimetty antiikin kreikkalaisten viidennen elementin mukaan ilman, maan, tulen ja veden lisäksi; he uskoivat sen olevan voima, joka piti kuun ja tähdet paikoillaan.
"Kvintesenssi on dynaaminen, ajan myötä kehittyvä ja alueellisesti riippuvainen energiamuoto, jonka negatiivinen paine on riittävä kiihdyttävän laajenemisen ohjaamiseen", Caldwell sanoo. ”Ottaa huomioon, että kosmologinen vakio on hyvin erityinen energian muoto? tyhjiöenergia? kvintesence käsittää laajan joukon mahdollisuuksia. ”
Linder ja Caldwell käyttivät mallinaan skalaarikenttää rajoittaakseen kvintesenssin mahdollisuuksia ja tarjotakseen kiinteät tavoitteet perustesteille, jotka myös vahvistavat sen ehdokkuuden pimeän energian lähteeksi. Skaalaarikentällä on arvo, mutta ei suunta kaikille avaruuden pisteille. Tällä lähestymistavalla tekijät pystyivät osoittamaan kvintesenssin skalaarikenttänä, joka rentouttaa potentiaalisen energiansa minimiarvoon. Ajattele jousien joukkoa jännityksen alla ja negatiivisen paineen tuottamista, joka on vastapaino positiiviselle painovoiman paineelle.
"Kvintesenssin skalaarikenttä on kuin jousien kenttä, joka peittää kaikki avaruuskohdat, jokaisen jousen ollessa venytettynä eri pituuteen", Linder sanoi. "Einsteinin kosmologisessa vakiossa jokainen kevät olisi samanpituinen ja liikumaton."
Heidän sulatusskenaariossa kvintesenssikentän potentiaalienergia “jäädytettiin” paikoilleen, kunnes laajentuvan maailmankaikkeuden vähentyvä materiaalitiheys vapautti sen vähitellen. Jäätymisskenaariossa kvintesenssikentä on liikkunut kohti minimipotentiaaliaan, koska maailmankaikkeus on käynyt läpi inflaation, mutta maailmankaikkeuden hallitseessa siitä tulee vähitellen vakioarvo.
SNAP-ehdotus on fysiikan, tähtitieteilijöiden ja insinöörien tutkimus- ja kehitystyössä Berkeley Labissa yhteistyössä Kalifornian yliopiston Berkeleyn kollegoiden ja monien muiden instituutioiden kanssa; se vaatii kolmen peilin, 2 metrin heijastavan kaukoputken syvällä avaruudessa, jota käytettäisiin vuosittaisten tuhansien tyypin Ia supernovien löytämiseen ja mittaamiseen. Näiden mittausten tulisi antaa tarpeeksi tietoa osoittaakseen selvästi joko sulamis- tai jäätymisskenaariosta? tai jotain muuta täysin uutta ja tuntematonta.
Linder sanoo: "Jos SNAP: n avulla mahdollisesti suoritettavien mittausten tulokset ovat sulamis- tai jäätymisskenaarioiden ulkopuolella, meidän on ehkä katsottava kvintesenssin ulkopuolelle, ehkä jopa eksoottisempaan fysiikkaan, kuten Einsteinin yleisen teorian muokkaukseen. suhteellisuussuhde selittääkseen pimeää energiaa. ”
Alkuperäinen lähde: Berkeley Lab -lehdistötiedote
