SuperNova / kiirendussond, SNAP. Pildikrediit: Berkeley Lab Pilt suuremalt
Mis on see salapärane tume energia, mis põhjustab universumi laienemise kiirenemist? Kas see on mingi kuju Einsteini kuulsast kosmoloogilisest konstandist või on see eksootiline tõrjuv jõud, mida nimetatakse “kvintessentsiks” ja mis võib moodustada kuni kolm neljandikku kosmosest? Lawrence Berkeley riikliku labori (Berkeley Lab) ja Dartmouthi kolledži teadlased usuvad, et selle leidmiseks on olemas viis.
Ajakirjas Physical Review Letters avaldatavas dokumendis näitavad Berkeley Labi füüsikud Eric Linder ja Dartmouthi Robert Caldwell, et tumeenergia füüsikalised mudelid saab jagada eraldi stsenaariumiteks, mida saaks kasutada Einsteini kosmoloogilise konstandi välistamiseks ja looduse olemuse selgitamiseks. tumedast energiast. Veelgi enam, teadlased peaksid suutma kindlaks teha, milline neist stsenaariumidest on õige NASA ja USA energeetikaosakonna kavandatud ühise tumeda energia missiooni (JDEM) jaoks kavandatavate katsete osas.
"Teadlased on vaidlustanud küsimuse üle," kui täpselt peame tumedat energiat mõõtma, et teada saada, mis see on? "" Ütleb Linder. „See, mida me oma dokumendis teinud oleme, on mõõtmiste täpsuspiirid. Õnneks peaksid need piirid jääma JDEMi katsete vahemikku. ”
Linder ja Caldwell on mõlemad JDEMi DOE-NASA teaduse määratlemise meeskonna liikmed, kes vastutab missiooni teaduslike nõuete koostamise eest. Linder on SNAP-i teooriagrupi juht? SuperNova / kiirendussond, üks kavandatud sõidukitest JDEM-i missiooni läbiviimiseks. Dartmouthi füüsika- ja astronoomiaprofessor Caldwell on üks kvintessentsi kontseptsiooni algatajaid.
Oma ajakirjas Physical Review Letters kirjeldavad Linder ja Caldwell kahte stsenaariumi, millest ühte nimetatakse sulatamiseks ja teist külmutamiseks, mis osutavad selgelt püsivalt laieneva universumi selgelt eristuvatele saatustele. Sulamisstsenaariumi kohaselt väheneb paisumise kiirendus järk-järgult ja peatub lõpuks nagu auto, kui juht kergitab gaasipedaali. Laienemine võib jätkuda aeglasemalt või universum võib isegi taastuda. Külmumistsenaariumi korral jätkub kiirendus määramata ajaks, nagu auto, mille gaasipedaal on põrandale surutud. Universum muutuks üha hajusamaks, kuni lõpuks leiab meie galaktika kosmoses üksi.
Mõlemad neist stsenaariumidest välistavad Einsteini kosmoloogilise konstandi. Nende ettekandes näitasid Linder ja Caldwell esmakordselt, kuidas Einsteini idee teistest võimalustest selgelt eraldada. Mis tahes stsenaariumi korral on tume energia siiski jõud, millega tuleb arvestada.
Ütleb Linder: “Kuna tume energia moodustab umbes 70 protsenti universumi sisust, domineerib see mateeria sisu üle. See tähendab, et tume energia juhib laienemist ja määrab lõpuks universumi saatuse. ”
1998. aastal raputasid kaks uurimisrühma kosmoloogia valdkonda iseseisvate teadaannetega, et universumi laienemine kiireneb. Ia tüübi supernoovade valguse punase nihke mõõtmisel, iseloomuliku energiaga plahvatavatel kosmosetähtedel, otsustasid Berkeley laboris asuva Supernova kosmoloogiaprojekti ja Austraalias asuva High-Z Supernova otsingugrupi meeskonnad, et universumi laienemine tegelikult kiireneb, mitte ei aeglusta. Selle kiirendatud laienemise taga olev tundmatu jõud sai nime "tume energia".
Enne tumeda energia avastamist leidis tavapärane teaduslik tarkus, et Suure Paugu tagajärjeks oli universumi laienemine, mida raskusjõud järk-järgult aeglustas. Kui universumis sisalduv ainesisaldus annaks piisavalt raskust, siis peatuks laienemine ühel päeval täielikult ja universum kukuks iseenesest suures kriisis. Kui mateeriast saadav gravitatsioon ei olnud laienemise täielikuks peatamiseks piisav, siis hõljuks universum igavesti lahus.
"1998. aasta teadaannetest ja hilisematest mõõtmistest teame nüüd, et universumi kiirenenud laienemine algas alles millalgi viimase 10 miljardi aasta jooksul," räägib Caldwell.
Kosmoloogid uurivad nüüd, et teha kindlaks, mis täpselt on tume energia. 1917. aastal muutis Einstein oma üldist relatiivsusteooriat kosmoloogilise konstandiga, mis õige väärtuse korral võimaldaks universumil eksisteerida täiesti tasakaalustatud ja staatilises olekus. Ehkki ajaloo kuulsaim füüsik nimetaks selle konstandi lisamist hiljem tema „suurimaks veaks”, on tumeda energia avastus selle idee taaselustanud.
"Kosmoloogiline konstant oli vaakumi energia (tühja ruumi energia), mis hoidis gravitatsiooni universumi endasse tõmbamast," ütleb Linder. „Kosmoloogilise konstandi probleem on see, et see on konstantne, sama energiatiheduse, rõhu ja olekuvõrrandiga aja jooksul. Tume energia pidi universumi kõige varasemas staadiumis olema tühine; vastasel juhul poleks galaktikad ja kõik nende tähed kunagi moodustunud. ”
Et Einsteini kosmoloogiline konstant annaks tulemuse universumis, mida me täna näeme, peaks energiaskaala olema palju suurusjärku väiksem kui miski muu universumis. Ehkki see võib olla võimalik, ei tundu Linder, kuid see ei tundu tõenäoline. Sisestage lisaks õhule, maale, tulele ja veele ka iidsete kreeklaste viienda elemendi järgi nimetatud kvintessentsi mõiste; nad uskusid, et see on jõud, mis hoidis Kuu ja tähed paigas.
"Kvintessents on dünaamiline, ajast arenev ja ruumiliselt sõltuv energiavorm, mille negatiivne rõhk on kiirendava paisumise tagamiseks piisav," ütleb Caldwell. „Arvestades, et kosmoloogiline konstant on väga spetsiifiline energiavorm? vaakumi energia? kvintessents hõlmab laia valikut võimalusi. ”
Kvintessentsi võimaluste piiramiseks ja põhikatsete kindlate eesmärkide seadmiseks, mis kinnitaksid ka tema kandideerimist tumeda energia allikana, kasutasid Linder ja Caldwell oma mudelis skalaarvälja. Skalaarväljal on kõigi kosmosepunktide väärtus, kuid mitte suund. Selle lähenemisviisi abil suutsid autorid näidata kvintessentsi kui skalaarvälja, mis leevendab selle potentsiaalset energiat minimaalse väärtuseni. Mõelge vedrude komplektile, mis on pinge all ja avaldab negatiivset rõhku, mis tasakaalustab raskusjõu positiivset rõhku.
"Kvintenssentsi skalaarväli on nagu vedrude väli, mis katab kosmose iga punkti ja mille vedru on erineva pikkusega venitatud," rääkis Linder. "Einsteini kosmoloogilise konstandi jaoks oleks iga vedru sama pikk ja liikumatu."
Nende sulatamise stsenaariumi kohaselt külmutati kvintessentsvälja potentsiaalne energia paika, kuni laieneva universumi vähenev materjalitihedus selle järk-järgult vabastas. Külmumise stsenaariumi korral on kvintessentsiväli liikunud minimaalse potentsiaali poole alates sellest, kui universum oli läbi teinud inflatsiooni, kuid universumi domineerimisel muutub see järk-järgult konstantseks väärtuseks.
SNAP-i ettepanek on Berkeley Labi füüsikute, astronoomide ja inseneride teadus- ja arendustegevuses koostöös Berkeley California ülikooli ja paljude teiste asutuste kolleegidega; see nõuab kolmepeegelist, 2-meetrist peegeldavat teleskoopi süvakosmose orbiidil, mida kasutataks tuhandete Ia tüüpi supernoovade leidmiseks ja mõõtmiseks igal aastal. Need mõõtmised peaksid andma piisavalt teavet, et osutada selgelt sulamis- või külmumisstsenaariumile? või millelegi muule täiesti uuele ja tundmatule.
Linder ütleb: “Kui SNAP-iga tehtavate mõõtmiste tulemused jäävad väljapoole sulamis- või külmumisstsenaariume, siis peame võib-olla vaatama kaugemale kvintessentsist, võib-olla isegi eksootilisema füüsika juurde, näiteks Einsteini üldise teooria modifikatsiooni suhtelisuse selgitamiseks tumedat energiat. ”
Algne allikas: Berkeley Labi pressiteade
