A SuperNova / Acceleration Probe, SNAP. Kép jóváírása: Berkeley Lab Kattintson a nagyításhoz
Mi okozza a titokzatos sötét energiát, amely felgyorsítja az univerzum tágulását? Einstein híres kozmológiai állandójának valamilyen formája, vagy egy egzotikus visszataszító erő, amit „kvinteszzencia” -nak neveznek, és amely a kozmosz háromnegyedét teheti ki? A Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium (Berkeley Lab) és a Dartmouth Főiskola tudósai úgy vélik, hogy van rá mód.
A Physical Review Letters-ben közzéteendő cikkben Eric Linder, a Berkeley Lab és Robert Caldwell (Dartmouth) azt mutatják, hogy a sötét energia fizikai modelljei különálló forgatókönyvekre oszthatók, amelyek felhasználhatók az Einstein kozmológiai állandójának kizárására és a természet magyarázatára. a sötét energia. Sőt, a tudósoknak képesnek kell lenniük meghatározni, hogy ezek közül a helyzetek közül melyik felel meg a NAD és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma által javasolt Közös Sötét Energia Missziónak (JDEM) tervezett kísérleteknek.
"A tudósok azt a kérdést vitatják, hogy" mennyire pontosan kell mérnünk a sötét energiát, hogy megtudjuk, mi az? "- mondja Linder. „Amit papírunkban tettünk, a mérési pontosság határértékeit javasolja. Szerencsére ezeknek a határoknak a JDEM kísérletek hatókörén belül kell lenniük. ”
Linder és Caldwell egyaránt tagjai a JDEM DOE-NASA tudományos meghatározó csoportjának, amelynek feladata a misszió tudományos követelményeinek kidolgozása. Linder az SNAP elméleti csoportjának vezetője? a SuperNova / Acceleration Probe, a JDEM küldetésének végrehajtására javasolt járművek egyikét. Caldwell, a Dartmouth fizikai és csillagászati professzora, a kvinteszencia koncepció egyik kezdeményezője.
A Physical Review Letters cikkben Linder és Caldwell két forgatókönyvet ír le: az egyiket „felolvasztásnak”, a másikat „befagyásnak” nevezik, amelyek állandóan bővülő univerzumunk világosan eltérő sorsaira mutatnak. A kiolvasztási forgatókönyv szerint a tágulás felgyorsulása fokozatosan csökken, és végül megáll, mint egy autó, amikor a sofőr felpattan a gázpedálra. A bővítés lassabban folytatódhat, vagy az univerzum is visszaeshet. A fagyos forgatókönyv szerint a gyorsítás határozatlan ideig folytatódik, mint egy autó, amelynek gázpedálját a padlóra nyomják. Az univerzum egyre diffúzabbá válik, amíg galaxisunk végül egyedül marad az űrben.
A két forgatókönyv bármelyike kizárja Einstein kozmológiai állandóját. Linder és Caldwell papírokban először mutatják be, hogyan tisztíthatják meg Einstein ötletét más lehetőségektől. Bármelyik forgatókönyv szerint a sötét energia olyan erő, amelyet figyelembe kell venni.
Linder azt mondja: „Mivel a sötét energia az univerzum tartalmának körülbelül 70 százalékát teszi ki, az uralkodik az anyagtartalom felett. Ez azt jelenti, hogy a sötét energia irányítja a terjeszkedést, és végül meghatározza az univerzum sorsát. ”
1998-ban két kutatócsoport rázta meg a kozmológia területét független bejelentéseivel, hogy az univerzum terjeszkedése felgyorsul. Az Ia típusú szupernóvák, a jellemző energiával felrobbanó mély űrben lévő csillagok vöröseltolódásának mérésével a Berkeley Lab székhelyű Supernova Kozmológiai Projekt és ausztráliai központú High-Z Supernova Search Team csapata megállapította, hogy a világegyetem kiterjedése valójában gyorsul, nem lassul. A gyorsuló expanzió mögött ismeretlen erőnek „sötét energia” nevet kaptak.
A sötét energia felfedezése előtt a hagyományos tudományos bölcsesség azt állította, hogy a nagy robbanás az univerzum kibővítéséhez vezetett, amelyet a gravitáció fokozatosan lelassít. Ha az univerzum anyagtartalma elegendő gravitációt biztosítana, akkor egy nap a tágulás teljesen megáll, és az univerzum egy nagy összetörés alatt áll vissza. Ha az anyagból származó gravitáció nem volt elegendő a expanzió teljes leállításához, a világegyetem örökké szétválna.
"Az 1998-as bejelentésekből és az azt követő mérésekből már tudjuk, hogy a világegyetem felgyorsult terjeszkedése csak az elmúlt 10 milliárd év alatt kezdődött el" - mondja Caldwell.
A kozmológusok most összecsapják annak meghatározása érdekében, hogy pontosan mi a sötét energia. 1917-ben Einstein kozmológiai állandóval módosította általános relativitáselméletét, amely, ha megfelelő érték lenne, lehetővé tenné az univerzum tökéletesen kiegyensúlyozott, statikus állapotában való létezését. Bár a történelem leghíresebb fizikusa később ennek az állandónak a hozzáadását nevezi „legnagyobb hibájának”, a sötét energia felfedezése újjáélesztette a gondolatot.
"A kozmológiai állandó egy vákuumenergia (az üres tér energiája) volt, amely megakadályozta, hogy a gravitáció magát az univerzumot vonzza" - mondja Linder. „A kozmológiai állandó problémája az, hogy állandó, azonos energiasűrűséggel, nyomással és állapotbeli egyenlettel egy időben. A sötét energiának azonban elhanyagolhatónak kellett lennie az univerzum legkorábbi szakaszaiban; különben a galaxisok és minden csillag soha nem alakulnának ki.
Ahhoz, hogy Einstein kozmológiai állandója létrejöjjön a világegyetemben, amelyet ma látunk, az energia skálának sok nagyságrenddel kisebbnek kell lennie, mint az univerzumban. Noha ez lehetséges - mondja Linder, ez nem tűnik valószínűnek. Írja be a „kvinteszzencia” fogalmát, amelyet az ókori görögök ötödik elemét neveztek el, a levegő, a föld, a tűz és a víz mellett; azt hitték, hogy ez az erő tartja a Holdot és a csillagokat a helyén.
"A kvinteszence egy dinamikus, időben fejlődő és térben függő energiaforma, amelynek negatív nyomása elegendő ahhoz, hogy a gyorsuló expanzióhoz vezetjen" - mondja Caldwell. „Mivel a kozmológiai állandó az energia nagyon sajátos formája? vákuum energia? A kvinteszencia a lehetőségek széles körét foglalja magában. ”
A kvinteszencia lehetőségeinek korlátozása és az alaptesztek számára határozott célok meghatározása érdekében, amelyek megerősítik a sötét energiaforrásként való jelölését, Linder és Caldwell skalár mezőt használták modelleikként. A skaláris mezőnek van egy olyan mértéke, de nem az irány az űrben lévő összes pontra. Ezzel a megközelítéssel a szerzők képesek voltak kimutatni a kvinteszenciát, mint egy skaláris mezőt, amely potenciális energiáját minimálisra enyhíti. Gondoljon egy olyan rugókészletre, amely feszültség alatt áll és negatív nyomást gyakorol, amely ellensúlyozza a pozitív gravitációs nyomást.
"A kvinteszencia skaláris mező olyan, mint egy rugómező, amely a tér minden pontját lefedi, és minden rugót különböző hosszúságúra nyújtanak" - mondta Linder. "Einstein kozmológiai állandója szempontjából minden rugó azonos hosszúságú és mozdulatlan lenne."
Olvadásuk szerint a kvinteszcencia mező potenciális energiáját „befagyasztották” a helyükön, amíg a bővülő univerzum csökkenő anyagsűrűsége fokozatosan felszabadította azt. A fagyasztás forgatókönyve szerint a kvinteszzencia mező a lehető legkisebb potenciál felé halad, mióta az univerzum infláción esett át, ám amikor az uralkodni kell az univerzumban, fokozatosan állandó értékré válik.
Az SNAP-javaslat a Berkeley Lab fizikusai, csillagászai és mérnökei által végzett kutatás-fejlesztés, a Berkeley-ben található Kaliforniai Egyetem és sok más intézmény kollégáival együttműködésben; Három tükörrel rendelkező, 2 méteres tükröző távcsövet igényel mély űrpályán, amelyet évente több ezer Ia típusú szupernóva megtalálására és mérésére lehetne használni. Ezeknek a méréseknek elegendő információt kell szolgáltatniuk ahhoz, hogy egyértelműen a felolvadás vagy a fagy forgatókönyve felé mutathassanak? vagy valami másra teljesen új és ismeretlen.
Linder azt mondja: „Ha az olyan mérések eredményei, amelyek például az SNAP-val elvégezhetők, a kiolvadás vagy a fagyasztás forgatókönyvein kívül esnek, akkor a kvintesszencián túl kell néznünk, talán még egzotikusabb fizikára, például Einstein általános elméletének módosítására. a relativitáselmélet, hogy megmagyarázza a sötét energiát. ”
Eredeti forrás: Berkeley Lab sajtóközlemény
