SuperNova / akselerasjonssonden, SNAP. Bildekreditt: Berkeley Lab Trykk for større bilde
Hva er den mystiske mørke energien som gjør at utvidelsen av universet akselererer? Er det en form for Einsteins berømte kosmologiske konstant, eller er det en eksotisk frastøtende kraft, kalt "kvintessens", som kan utgjøre så mye som tre fjerdedeler av kosmos? Forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Dartmouth College mener det er en måte å finne ut av.
I en artikkel som skal publiseres i Physical Review Letters, viser fysikerne Eric Linder fra Berkeley Lab og Robert Caldwell fra Dartmouth at fysikkmodeller av mørk energi kan skilles i forskjellige scenarier, som kan brukes til å utelukke Einsteins kosmologiske konstant og forklare naturen av mørk energi. Dessuten skal forskere kunne bestemme hvilke av disse scenariene som stemmer med eksperimentene som er planlagt for Joint Dark Energy Mission (JDEM) som er foreslått av NASA og U.S. Department of Energy.
"Forskere har diskutert spørsmålet‘ hvor nøyaktig må vi måle mørk energi for å vite hva det er? ', Sier Linder. "Det vi har gjort i papiret vårt, foreslår presisjonsgrenser for målingene. Heldigvis bør disse grensene være innenfor området for JDEM-eksperimentene. ”
Linder og Caldwell er begge medlemmer av DOE-NASA vitenskapsdefinisjonsteam for JDEM, som har ansvaret for å utarbeide oppdragets vitenskapelige krav. Linder er leder for teorigruppen for SNAP? SuperNova / Acceleration Probe, et av de foreslåtte kjøretøyene for utførelse av JDEM-oppdraget. Caldwell, professor i fysikk og astronomi ved Dartmouth, er en av opphavsmennene til quintessence-konseptet.
I sin artikkel i Physical Review Letters Linder og Caldwell beskriver to scenarier, en de kaller “tining” og en de kaller “frysing”, som peker mot tydelig forskjellige skjebner for vårt permanent ekspanderende univers. Under det tine scenariet vil akselerasjonen av utvidelsen gradvis avta og til slutt komme til å stoppe, som en bil når sjåføren letter på bensinpedalen. Ekspansjonen kan fortsette saktere, eller universet kan til og med gjenoppstå. Under frysescenariet fortsetter akselerasjonen på ubestemt tid, som en bil med gasspedalen skyvet til gulvet. Universet skulle bli stadig mer diffust, til slutt vår galakse ville finne seg alene i verdensrommet.
Begge disse to scenariene utelukker Einsteins kosmologiske konstant. I papiret deres viser Linder og Caldwell for første gang hvordan man rent skiller Einsteins ide fra andre muligheter. Under ethvert scenario er imidlertid mørk energi en styrke som må regnes med.
Sier Linder, “Fordi mørk energi utgjør omtrent 70 prosent av innholdet i universet, dominerer den over materieinnholdet. Det betyr at mørk energi vil styre utvidelsen og til slutt bestemme skjebnen til universet. ”
I 1998 rystet to forskningsgrupper kosmologifeltet med sine uavhengige kunngjøringer om at utvidelsen av universet akselererer. Ved å måle rødskiftet fra lys fra supernovaer av type Ia, dype rom som eksploderer med en karakteristisk energi, bestemte team fra Supernova Cosmology Project hovedkvarter ved Berkeley Lab og High-Z Supernova Search Team sentrert i Australia at utbyggingen av universet er faktisk akselererende, ikke retarderer. Den ukjente kraften bak denne akselererte ekspansjonen fikk navnet "mørk energi."
Før oppdagelsen av mørk energi, mente konvensjonell vitenskapelig visdom at Big Bang hadde resultert i en utvidelse av universet som gradvis ville bli bremset opp av tyngdekraften. Hvis materieinnholdet i universet ga nok tyngdekraft, ville en dag utvidelsen stoppe helt og universet ville falle tilbake på seg selv i en Big Crunch. Hvis tyngdekraften fra materien ikke var tilstrekkelig til å stoppe utvidelsen fullstendig, ville universet fortsette å flyte fra hverandre for alltid.
"Fra kunngjøringene i 1998 og påfølgende målinger, vet vi nå at den akselererte utvidelsen av universet ikke startet før en gang i løpet av de siste 10 milliarder årene," sier Caldwell.
Kosmologer rusler nå for å finne ut hva nøyaktig mørk energi er. I 1917 endret Einstein sin generelle relativitetsteori med en kosmologisk konstant, som, hvis verdien var riktig, ville tillate universet å eksistere i en perfekt balansert, statisk tilstand. Selv om historiens mest kjente fysiker senere vil kalle tilskuddet av denne konstanten hans "største bommert," har oppdagelsen av mørk energi gjenopplivet ideen.
"Den kosmologiske konstanten var en vakuumenergi (det tomme romets energi) som hindret tyngdekraften fra å trekke universet inn i seg selv," sier Linder. "Et problem med den kosmologiske konstanten er at den er konstant, med den samme energitettheten, trykket og ligning av tilstand over tid. Mørk energi måtte imidlertid være ubetydelig i universets tidligste stadier; ellers ville galaksene og alle stjernene deres aldri ha dannet seg. ”
For at Einsteins kosmologiske konstant skal resultere i det universet vi ser i dag, må energiskalaen være mange størrelsesordener mindre enn noe annet i universet. Selv om dette kan være mulig, sier Linder, virker det ikke sannsynlig. Gå inn i begrepet "kvintessens", oppkalt etter det femte elementet i de gamle grekere, i tillegg til luft, jord, ild og vann; de trodde det var styrken som holdt månen og stjernene på plass.
"Quintessence er en dynamisk, tidsutviklende og romlig avhengig form av energi med undertrykk som er tilstrekkelig til å drive den akselererende ekspansjonen," sier Caldwell. Mens den kosmologiske konstanten er en veldig spesifikk form for energi? vakuumenergi? kvintessens omfatter en bred klasse av muligheter. ”
For å begrense mulighetene for stillhet og gi faste mål for grunnleggende tester som også vil bekrefte kandidatur som kilde til mørk energi, brukte Linder og Caldwell et skalfelt som modell. Et skalarfelt har et mål på verdi, men ikke retning for alle punkter i rommet. Med denne tilnærmingen kunne forfatterne vise kvintessens som et skalfelt som slapper av sin potensielle energi ned til en minimumsverdi. Tenk på et sett med fjærer under spenning og utøve et undertrykk som motvirker det positive tyngdekravet.
"Et kvintessens skalarfelt er som et felt med fjærer som dekker hvert punkt i rommet, med hver fjær strukket til en annen lengde," sa Linder. "For Einsteins kosmologiske konstant ville hver vår være den samme lengden og ubevegelig."
Under deres opptiningsscenario ble den potensielle energien fra kvintessensfeltet "frosset" på plass inntil den synkende materialtettheten i et ekspanderende univers gradvis frigjorde den. I frysescenariet har kvintessensfeltet rullet mot sitt minste potensiale siden universet gjennomgikk inflasjon, men når det kommer til å dominere universet, blir det gradvis en konstant verdi.
SNAP-forslaget er i forskning og utvikling av fysikere, astronomer og ingeniører ved Berkeley Lab, i samarbeid med kolleger fra University of California i Berkeley og mange andre institusjoner; det krever et tre-speil, 2-meters reflekterende teleskop i en dyp-rom-bane som vil bli brukt til å finne og måle tusenvis av supernovaer av Type Ia hvert år. Disse målingene bør gi nok informasjon til å tydelig peke mot enten tine- eller frysescenariet? eller til noe helt nytt og ukjent.
Linder sier: "Hvis resultatene fra målinger som de som kan gjøres med SNAP ligger utenfor tining- eller frysescenariene, kan det hende vi må se utover kvintessensen, kanskje til enda mer eksotisk fysikk, for eksempel en modifisering av Einsteins generelle teori. av relativitet for å forklare mørk energi. ”
Originalkilde: Berkeley Lab News Release
