Sonda SuperNova / zrýchlenie, SNAP. Obrazový kredit: Berkeley Lab Kliknite pre zväčšenie
Aká tajomná temná energia spôsobuje zrýchlenie expanzie vesmíru? Je to nejaká forma slávnej kozmologickej konštanty Einsteina alebo ide o exotickú odpudivú silu nazývanú „kvintesencia“, ktorá môže tvoriť až tri štvrtiny vesmíru? Vedci z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a Dartmouth College veria, že existuje spôsob, ako to zistiť.
Fyzikári Eric Linder z Berkeley Lab a Robert Caldwell z Dartmouthu v článku, ktorý má byť uverejnený v liste Physical Review Letters, ukazujú, že fyzikálne modely temnej energie možno rozdeliť do rôznych scenárov, ktoré by sa mohli použiť na vylúčenie Einsteinovej kozmologickej konštanty a na vysvetlenie povahy. temnej energie. Vedci by navyše mali byť schopní určiť, ktorý z týchto scenárov je správny, s plánovanými experimentmi pre spoločnú misiu tmavej energie (JDEM), ktorú navrhli NASA a ministerstvo energetiky USA.
"Vedci sa pýtajú na otázku - ako presne musíme merať temnú energiu, aby sme vedeli, o čo ide?", Hovorí Linder. „V našej práci sme navrhli limity presnosti merania. Našťastie by tieto limity mali byť v rozmedzí experimentov JDEM. “
Linder a Caldwell sú členmi vedeckého definičného tímu DOE-NASA pre JDEM, ktorý je zodpovedný za vypracovanie vedeckých požiadaviek misie. Linder je vedúci teoretickej skupiny pre SNAP? sonda SuperNova / zrýchlenie, jedno z navrhovaných vozidiel na vykonávanie misie JDEM. Caldwell, profesor fyziky a astronómie v Dartmouthe, je jedným z tvorcov koncepcie kvintesencie.
Linder a Caldwell vo svojom článku v liste Physical Review Letters Linder a Caldwell opisujú dva scenáre, jeden nazývajú „rozmrazovanie“ a druhý nazývajú „zmrazenie“, ktoré ukazujú na zreteľne odlišné osudy nášho neustále sa rozširujúceho vesmíru. Podľa scenára rozmrazovania sa zrýchlenie expanzie postupne zníži a nakoniec sa zastaví ako auto, keď vodič uvoľní plynový pedál. Expanzia môže pokračovať pomalšie, alebo sa vesmír môže dokonca zotaviť. Podľa scenára zamrznutia akcelerácia pokračuje donekonečna, ako auto s plynovým pedálom tlačeným na podlahu. Vesmír by sa stal stále viac rozptýleným, až by sa naša galaxia nakoniec ocitla sama vo vesmíre.
Jeden z týchto dvoch scenárov vylučuje Einsteinovu kozmologickú konštantu. Linder a Caldwell vo svojej práci prvýkrát ukazujú, ako čisto oddeliť Einsteinovu myšlienku od iných možností. V každom prípade je však temná energia sila, s ktorou je potrebné počítať.
Lers hovorí: „Pretože temná energia tvorí asi 70 percent obsahu vesmíru, dominuje nad obsahom hmoty. To znamená, že temná energia bude ovládať expanziu a nakoniec určí osud vesmíru. “
V roku 1998 dve výskumné skupiny kolísali oblasť kozmológie so svojimi nezávislými oznámeniami, že rozširovanie vesmíru sa zrýchľuje. Meraním červeného posunu svetla zo supernov typu Ia, hviezd z vesmíru, ktoré explodujú s charakteristickou energiou, tímy z projektu Supernova Cosmology Project so sídlom v Berkeley Lab a vyhľadávací tím High-Z Supernova sústredené v Austrálii určili, že expanzia vesmíru v skutočnosti zrýchľuje, nie spomaľuje. Neznáma sila, ktorá stála za týmto zrýchleným rozšírením, dostala názov „temná energia“.
Pred objavením temnej energie konvenčná vedecká múdrosť tvrdila, že Veľký tresk spôsobil rozšírenie vesmíru, ktoré by sa postupne spomaľovalo gravitáciou. Keby obsah hmoty vo vesmíre poskytoval dostatočnú gravitáciu, jedného dňa sa expanzia úplne zastavila a vesmír by sa sám o sebe zrútil pri veľkej kríze. Keby gravitácia z hmoty nebola dostatočná na úplné zastavenie expanzie, vesmír by sa navždy plaval ďalej.
"Z hlásení v roku 1998 a následných meraní vieme, že zrýchlená expanzia vesmíru sa začala až niekedy za posledných 10 miliárd rokov," hovorí Caldwell.
Kozmológovia sa teraz snažia určiť, čo presne je temná energia. V roku 1917 Einstein zmenil svoju Všeobecnú teóriu relativity kozmologickou konštantou, ktorá, ak by bola hodnota správna, by umožnila existenciu vesmíru v dokonale vyváženom statickom stave. Hoci najslávnejší fyzik histórie by neskôr nazval pridaním tejto konštanty jeho „najväčšiu chybu“, objav temnej energie tento nápad oživil.
„Kozmologická konštanta bola energia vákua (energia prázdneho priestoru), ktorá zabránila gravitácii v vtiahnutí vesmíru do seba,“ hovorí Linder. „Problém s kozmologickou konštantou je ten, že je konštantná s rovnakou hustotou energie, tlakom a stavovou rovnicou v čase. Temná energia však musela byť v počiatočných fázach vesmíru zanedbateľná; inak by sa galaxie a všetky ich hviezdy nikdy nevytvorili. “
Aby Einsteinova kozmologická konštanta vyústila do vesmíru, ktorý dnes vidíme, musela by byť energetická škála o mnoho rádov menšia ako čokoľvek iné vo vesmíre. Aj keď je to možné, Linder hovorí, že sa to nezdá pravdepodobné. Vstúpte do pojmu „kvintesencia“ pomenovaného podľa piateho prvku starovekých Grékov, okrem vzduchu, zeme, ohňa a vody; verili, že to bola sila, ktorá držala mesiac a hviezdy na svojom mieste.
„Kvintesencia je dynamická, časom sa vyvíjajúca a priestorovo závislá forma energie so záporným tlakom, ktorá je dostatočná na urýchlenie expanzie,“ hovorí Caldwell. „Keďže kozmologická konštanta je veľmi špecifická forma energie? vákuová energia? kvintesencia zahŕňa širokú škálu možností. “
Aby obmedzili možnosti kvintesencie a poskytli pevné ciele pre základné testy, ktoré by tiež potvrdili jej kandidatúru ako zdroj temnej energie, použili Linder a Caldwell ako svoj model skalárne pole. Skalárne pole má mieru hodnoty, ale nie smer pre všetky body v priestore. S týmto prístupom boli autori schopní ukázať kvintesenciu ako skalárne pole, ktoré uvoľňuje svoju potenciálnu energiu na minimálnu hodnotu. Predstavte si sadu pružín pod napätím a vyvíjajúcich podtlak, ktorý pôsobí proti kladnému tlaku gravitácie.
"Štvorcové skalárne pole je ako pole pružín pokrývajúce každý bod v priestore, pričom každá pružina je natiahnutá na inú dĺžku," uviedol Linder. "Pre Einsteinovu kozmologickú konštantu by každá jar bola rovnaká dĺžka a nepohyblivá."
Podľa scenára rozmrazovania bola potenciálna energia kvintesenčného poľa „zamrznutá“, kým ju postupne uvoľňovala klesajúca hustota materiálu rozširujúceho sa vesmíru. V scenári mrazu sa kvintesenčné pole odvíja smerom k svojmu minimálnemu potenciálu, pretože vesmír prešiel infláciou, ale keď príde k ovládnutiu vesmíru, postupne sa stáva konštantnou hodnotou.
Návrh SNAP je vo výskume a vývoji fyzikov, astronómov a inžinierov v laboratóriu Berkeley v spolupráci s kolegami z Kalifornskej univerzity v Berkeley a mnohých ďalších inštitúcií; Vyžaduje si zrkadlový ďalekohľad s tromi zrkadlami, ktorý odráža 2 metre v hlbokej vesmírnej obežnej dráhe a ktorý by sa každý rok použil na vyhľadávanie a meranie tisícok supernov typu Ia. Tieto merania by mali poskytovať dostatok informácií na to, aby jasne ukazovali buď na scenár rozmrazovania alebo zmrazenia? alebo k niečomu úplne novému a neznámu.
Lers hovorí: „Ak výsledky z meraní, ako sú tie, ktoré by sa dali urobiť pomocou SNAP, ležia mimo scenára rozmrazovania alebo mrazenia, možno budeme musieť hľadieť nad kvintesenciu, možno ešte exotickejšiu fyziku, ako napríklad modifikáciu Einsteinovej všeobecnej teórie. relativity vysvetliť temnú energiu. “
Pôvodný zdroj: Berkeley Lab News Release
