SuperNova / Paātrinājuma zonde, SNAP. Attēla kredīts: Berkeley Lab Noklikšķiniet, lai palielinātu
Kāda ir noslēpumainā tumšā enerģija, kas izraisa Visuma paplašināšanās paātrināšanos? Vai tas ir kaut kāds Einšteina slavenās kosmoloģiskās konstantes veids, vai arī tas ir eksotisks atbaidošs spēks, saukts par “kvintesenci”, kas varētu sastādīt pat trīs ceturtdaļas no kosmosa? Lawrence Berkeley Nacionālās laboratorijas (Berkeley Lab) un Dartmutas koledžas zinātnieki uzskata, ka ir veids, kā to uzzināt.
Rakstā, kas jāpublicē žurnālā Physical Review Letters, fiziķi Ēriks Linders no Bērklija laboratorijas un Roberts Kaldvels no Dartmutas parāda, ka tumšās enerģijas fizikas modeļus var iedalīt atšķirīgos scenārijos, kurus varētu izmantot, lai izslēgtu Einšteina kosmoloģisko konstanti un izskaidrotu dabas būtību. tumšās enerģijas. Turklāt zinātniekiem vajadzētu spēt noteikt, kurš no šiem scenārijiem ir pareizs ar eksperimentiem, kas tiek plānoti Apvienotajai tumšās enerģijas misijai (JDEM), ko ir ierosinājusi NASA un ASV Enerģētikas departaments.
“Zinātnieki strīdējās par jautājumu“ cik precīzi mums ir jāmēra tumšā enerģija, lai zinātu, kas tā ir? ”” Saka Linders. “Tas, ko mēs esam izdarījuši mūsu dokumentā, ir ieteikt mērījumu precizitātes robežas. Par laimi šīm robežām vajadzētu būt JDEM eksperimentu diapazonā. ”
Linders un Kalldvels ir JDEM zinātniskās definēšanas grupas DOE-NASA locekļi, kuras pienākums ir sastādīt misijas zinātniskās prasības. Linders ir SNAP teorijas grupas vadītājs? SuperNova / Paātrinājuma zonde, viens no ierosinātajiem transportlīdzekļiem JDEM misijas veikšanai. Dartmutas fizikas un astronomijas profesors Kaldvels ir viens no kvintesences koncepcijas aizsācējiem.
Savā dokumentā Physical Review Letters Linder un Caldwell apraksta divus scenārijus: vienu viņi sauc par “atkausēšanu” un otru par “sasalšanu”, kas norāda uz izteikti atšķirīgiem likteņiem mūsu pastāvīgi paplašinātajam Visumam. Saskaņā ar atkausēšanas scenāriju izplešanās paātrinājums pakāpeniski samazināsies un galu galā apstāsies, piemēram, automašīna, kad vadītājs atvieglojas uz gāzes pedāļa. Izplešanās var turpināties lēnāk, vai arī Visums var pat atkārtoties. Saskaņā ar sasalšanas scenāriju paātrinājums turpinās bezgalīgi tāpat kā automašīna ar gāzes pedāli, kas nospiests uz grīdas. Visums kļūs arvien izkliedētāks, līdz galu galā mūsu galaktika atradīsies viena pati kosmosā.
Jebkurš no šiem diviem scenārijiem izslēdz Einšteina kosmoloģisko konstanti. Savā rakstā Linder un Caldwell šovā pirmo reizi stāstīja, kā tīri nodalīt Einšteina ideju no citām iespējām. Tomēr jebkurā scenārijā tumšā enerģija ir spēks, ar kuru jārēķinās.
Saka Linders: “Tā kā tumšā enerģija veido apmēram 70 procentus no Visuma satura, tā dominē pār matērijas saturu. Tas nozīmē, ka tumšā enerģija pārvaldīs izplešanos un galu galā noteiks Visuma likteni. ”
1998. gadā divas pētniecības grupas satricināja kosmoloģijas jomu ar saviem neatkarīgajiem paziņojumiem, ka Visuma paplašināšanās paātrinās. Izmērot Ia veida supernovu gaismas sarkano nobīdi, dziļā kosmosa zvaigznēs, kuras eksplodē ar raksturīgu enerģiju, komandas no Supernova kosmoloģijas projekta, kura galvenā mītne atrodas Bērklija laboratorijā, un High-Z Supernova meklēšanas komandas, kuras centrā ir Austrālija, noteica, ka Visuma paplašināšanās faktiski paātrinās, nevis palēninās. Nezināmajam spēkam, kas izraisīja šo paātrināto izplešanos, tika dots nosaukums “tumšā enerģija”.
Pirms tumšās enerģijas atklāšanas tradicionālā zinātniskā gudrība uzskatīja, ka lielā sprādziena rezultātā Visums ir paplašinājies, un gravitācija to pakāpeniski palēninās. Ja vielas saturs Visumā nodrošinātu pietiekamu smagumu, kādu dienu izplešanās vispār apstātos un Visums nokristu uz sevi lielā krīzē. Ja materiāla gravitācija nebija pietiekama, lai pilnībā apturētu izplešanos, Visums mūžīgi turpinātu peldēt atsevišķi.
"No paziņojumiem 1998. gadā un sekojošajiem mērījumiem mēs tagad zinām, ka paātrinātā Visuma paplašināšanās sākās tikai kādreiz pēdējo 10 miljardu gadu laikā," saka Kaldvels.
Kosmologi tagad skrambē, lai noteiktu, kas īsti ir tumšā enerģija. 1917. gadā Einšteins laboja savu vispārējo relativitātes teoriju ar kosmoloģisko konstanti, kas, ja vērtība būtu pareiza, ļautu Visumam pastāvēt pilnīgi līdzsvarotā, statiskā stāvoklī. Kaut arī vēstures slavenākais fiziķis vēlāk sauca šīs konstantes pievienošanu par viņa “lielāko aplamību”, tumšās enerģijas atklāšana ir atdzīvinājusi šo ideju.
“Kosmoloģiskā konstante bija vakuuma enerģija (tukšas telpas enerģija), kas neļāva gravitācijai no vilkšanas ievilkt sevī sevī,” saka Linders. “Kosmoloģiskās konstantes problēma ir tā, ka tā ir konstanta ar vienādu enerģijas blīvumu, spiedienu un stāvokļa vienādojumu laika gaitā. Tumšajai enerģijai tomēr Visuma agrākajos posmos bija jābūt niecīgai; pretējā gadījumā galaktikas un visas to zvaigznes nekad nebūtu izveidojušās. ”
Lai Einšteina kosmoloģiskā konstante radītu mūsdienās redzamo Visumu, enerģijas skalai vajadzētu būt daudzkārt lielākam par visu citu Visumā. Lai gan tas varētu būt iespējams, Linder saka, tas nešķiet iespējams. Ievadiet jēdzienu “kvintesence”, kas nosaukts pēc seno grieķu piektā elementa, papildus gaisam, zemei, ugunij un ūdenim; viņi uzskatīja, ka tas ir spēks, kas tur mēness un zvaigznes vietā.
“Kvintesence ir dinamiska, laika gaitā mainīga un telpiski atkarīga enerģijas forma ar negatīvu spiedienu, kas ir pietiekams, lai vadītu paātrinošo izplešanos,” saka Kaldvels. “Tā kā kosmoloģiskā konstante ir ļoti specifisks enerģijas veids? vakuuma enerģija? kvintesence ietver plašu iespēju klasi. ”
Lai ierobežotu kvintesences iespējas un nodrošinātu stingrus mērķus pamata pārbaudēm, kas arī apstiprinātu tās kandidatūru kā tumšās enerģijas avotu, Linders un Kaldvels kā modeli izmantoja skalārā lauka. Skalārajam laukam ir vērtības mērs, bet ne virziens visiem punktiem telpā. Izmantojot šo pieeju, autori spēja parādīt kvintesenci kā skalāru lauku, kas atslābina tā potenciālo enerģiju līdz minimumam. Domājiet par atsperu kopumu, kas pakļauts spriegumam un rada negatīvu spiedienu, kas ir pretstatā pozitīvajam gravitācijas spiedienam.
“Kvintesences skalārā lauks ir kā atsperu lauks, kas aptver katru telpas punktu, ar katru atsperi izstiepjot atšķirīgu garumu,” sacīja Linders. "Einšteina kosmoloģiskajai konstantei katrs pavasaris būtu vienāda garuma un nekustīgs."
Saskaņā ar viņu atkausēšanas scenāriju kvintesences lauka potenciālā enerģija tika “iesaldēta” savā vietā, līdz paplašinošā Visuma materiāla blīvuma samazināšanās to pakāpeniski atbrīvoja. Sasalšanas scenārijā kvintesences lauks ir virzījies uz tā minimālā potenciāla sasniegšanu, kopš Visumā ir notikusi inflācija, bet, kad nākas dominēt Visumā, tas pakāpeniski kļūst par nemainīgu vērtību.
SNAP priekšlikums ir pētniecībā un attīstībā, ko veic fiziķi, astronomi un inženieri Berkeley Lab sadarbībā ar kolēģiem no Kalifornijas Universitātes Berkeley un daudzām citām institūcijām; tas prasa trīs spoguļu, 2 metru atstarojošu teleskopu dziļā kosmosa orbītā, kuru varētu izmantot, lai katru gadu atrastu un izmērītu tūkstošiem Ia tipa supernovu. Šiem mērījumiem jāsniedz pietiekami daudz informācijas, lai skaidri norādītu uz atkausēšanas vai sasalšanas scenāriju? vai uz kaut ko citu pilnīgi jaunu un nezināmu.
Saka Linders: “Ja tādu mērījumu rezultāti, kurus varētu veikt ar SNAP, atrodas ārpus atkausēšanas vai sasalšanas scenārija, tad mums, iespējams, būs jāraugās ārpus kvintesences, varbūt pat uz vēl eksotiskāku fiziku, piemēram, Einšteina vispārējās teorijas modifikāciju. , lai izskaidrotu tumšo enerģiju. ”
Oriģinālais avots: Berkeley Lab ziņu izlaidums
