SuperNova / Akcelerační sonda, SNAP. Obrazový kredit: Berkeley Lab Klikněte pro zvětšení
Jaká tajemná temná energie způsobuje zrychlení expanze vesmíru? Je to nějaká forma Einsteinovy slavné kosmologické konstanty, nebo je to exotická odpudivá síla, přezdívaná „kvintesence“, která by mohla tvořit až tři čtvrtiny vesmíru? Vědci z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a Dartmouth College věří, že existuje způsob, jak to zjistit.
V článku, který má být zveřejněn v dopisech Physical Review Letters, fyzici Eric Linder z Berkeley Lab a Robert Caldwell z Dartmouthu ukazují, že fyzikální modely temné energie lze rozdělit do různých scénářů, které by mohly být použity k vyloučení Einsteinovy kosmologické konstanty a vysvětlení přírody. temné energie. Vědci by navíc měli být schopni určit, který z těchto scénářů je správný, s plánovanými experimenty pro společnou misi tmavé energie (JDEM), která byla navržena NASA a americkým ministerstvem energetiky.
"Vědci se hádají o otázku, jak přesně musíme měřit temnou energii, abychom věděli, co to je?", Říká Linder. „V našem příspěvku jsme navrhli limity přesnosti měření. Naštěstí by tyto limity měly být v rozsahu experimentů JDEM. “
Linder a Caldwell jsou oba členy vědeckého definičního týmu DOE-NASA pro JDEM, který odpovídá za vypracování vědeckých požadavků mise. Linder je vedoucí teoretické skupiny pro SNAP? SuperNova / Acceleration Probe, jedno z navrhovaných vozidel pro provádění mise JDEM. Caldwell, profesor fyziky a astronomie v Dartmouthu, je jedním z autorů konceptu kvintesence.
Linder a Caldwell ve své knize Fyzická recenze dopisy popisují dva scénáře, jeden nazývají „tání“ a druhý nazývají „mrznutí“, což ukazuje na výrazně odlišné osudy našeho neustále se rozšiřujícího vesmíru. Podle scénáře tání se zrychlení expanze postupně sníží a nakonec se zastaví jako auto, když řidič uvolní plynový pedál. Expanze může pokračovat pomaleji, nebo se vesmír může dokonce vzpamatovat. Podle scénáře mrazu zrychlení pokračuje donekonečna, jako auto s plynovým pedálem tlačeným na podlahu. Vesmír by se stal stále více rozptýleným, dokud by se naše galaxie nakonec nenašla sama ve vesmíru.
Jeden z těchto scénářů vylučuje Einsteinovu kosmologickou konstantu. Linder a Caldwell ve své knize poprvé ukazují, jak čistě oddělit Einsteinovu myšlenku od jiných možností. Podle jakéhokoli scénáře je však temná energie síla, se kterou je třeba počítat.
Říká Linder: „Protože temná energie tvoří asi 70 procent obsahu vesmíru, dominuje nad obsahem hmoty. To znamená, že temná energie bude ovládat expanzi a nakonec určí osud vesmíru. “
V roce 1998 dvě výzkumné skupiny otřásly kosmologickým polem se svými nezávislými oznámeními, že expanze vesmíru se zrychluje. Měřením červeného posunu světla ze supernov typu Ia, hvězd z vesmíru, které explodují s charakteristickou energií, týmy z projektu Supernova Cosmology Project se sídlem v Berkeley Lab a vyhledávací tým High-Z Supernova soustředěný v Austrálii určily, že expanze vesmíru ve skutečnosti zrychluje, ne zpomaluje. Neznámá síla za touto zrychlenou expanzí dostala jméno „temná energie“.
Před objevením temné energie, konvenční vědecká moudrost si myslela, že Velký třesk vyústil v expanzi vesmíru, který by byl postupně zpomalen gravitací. Pokud by obsah hmoty ve vesmíru poskytoval dostatečnou gravitaci, jednoho dne by se expanze úplně zastavila a vesmír by se sám o sobě ve velké krizi zřítil. Pokud by gravitace hmoty nebyla dostatečná k úplnému zastavení expanze, vesmír by se navždy vznášel dál.
"Z oznámení v roce 1998 a následných měření víme, že zrychlené rozšiřování vesmíru začalo až někdy za posledních 10 miliard let," říká Caldwell.
Kosmologové nyní zkoušejí, co přesně je temná energie. V roce 1917 Einstein pozměnil svou obecnou teorii relativity kosmologickou konstantou, která, pokud by byla hodnota správná, umožnila vesmíru existovat v dokonale vyváženém statickém stavu. Ačkoli nejslavnější fyzik historie nazval později přidáním této konstanty jeho „největší omyl“, objev temné energie tento nápad oživil.
"Kosmologická konstanta byla vakuová energie (energie prázdného prostoru), která zabránila gravitaci vtažení vesmíru do sebe," říká Linder. "Problém s kosmologickou konstantou je, že je konstantní, se stejnou hustotou energie, tlakem a stavovou rovnicí v čase." Temná energie však musela být v nejranějších stádiích vesmíru zanedbatelná; jinak by se galaxie a všechny jejich hvězdy nikdy nevytvořily. “
Aby Einsteinova kosmologická konstanta vyústila ve vesmír, který dnes vidíme, musela by být energetická škála o mnoho řádů menší než cokoli jiného ve vesmíru. I když to může být možné, Linder říká, nezdá se to pravděpodobné. Zadejte pojem „kvintesence“, pojmenovaný po pátém prvku starověkých Řeků, kromě vzduchu, země, ohně a vody; věřili, že to je síla, která drží Měsíc a hvězdy na místě.
"Kvintesence je dynamická, časem se vyvíjející a prostorově závislá forma energie se záporným tlakem, která je dostatečná pro urychlení expanze," říká Caldwell. "Zatímco kosmologická konstanta je velmi specifická forma energie?" vakuová energie? kvintesence zahrnuje širokou škálu možností. “
Aby omezili možnosti kvintesence a poskytli pevné cíle pro základní testy, které by rovněž potvrdily jeho kandidaturu jako zdroj temné energie, použily Linder a Caldwell jako model skalární pole. Skalární pole má měřítko hodnoty, ale ne směr pro všechny body v prostoru. S tímto přístupem byli autoři schopni ukázat kvintesenci jako skalární pole uvolňující svou potenciální energii až na minimální hodnotu. Představte si sadu pružin pod napětím a vyvíjející podtlak, který působí proti kladnému tlaku gravitace.
"Kvintesenční skalární pole je jako pole pramenů pokrývajících každý bod v prostoru, s každou pružinou nataženou na jinou délku," řekl Linder. "Pro Einsteinovu kosmologickou konstantu by každé jaro mělo stejnou délku a nehybné."
Podle jejich scénáře tání byla potenciální energie pole kvintesence „zamrzlá“ na místě, dokud ji postupně neuvolňovala klesající hustota materiálu rozšiřujícího se vesmíru. Ve zmrazovacím scénáři se kvintesenční pole válí směrem ke svému minimálnímu potenciálu od doby, kdy vesmír podstoupil inflaci, ale jakmile dominuje ve vesmíru, postupně se stává konstantní hodnotou.
Návrh SNAP je ve výzkumu a vývoji fyziků, astronomů a techniků v Berkeley Lab, ve spolupráci s kolegy z University of California v Berkeley a mnoha dalších institucích; Vyžaduje to zrcadlový dalekohled se zrcadlem o délce 2 metry, který by se použil k nalezení a měření tisíců supernov typu Ia každý rok. Tato měření by měla poskytnout dostatek informací k tomu, aby jasně ukazovaly buď na scénář tání nebo zmrazení? nebo k něčemu úplně novému a neznámému.
Říká Linder: „Pokud výsledky měření, jako jsou ta, která by mohla být provedena pomocí SNAP, leží mimo scénáře tání nebo mrznutí, možná budeme muset hledět nad rámec kvintesence, možná ještě exotičtější fyziky, jako je modifikace Einsteinovy obecné teorie relativity vysvětlit temnou energii. “
Původní zdroj: Berkeley Lab News Release
