Το SuperNova / Acceleration Probe, SNAP. Πιστωτική εικόνα: Berkeley Lab Κάντε κλικ για μεγέθυνση
Ποια είναι η μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια που προκαλεί την επιτάχυνση της επέκτασης του σύμπαντος; Είναι κάποια μορφή της διάσημης κοσμολογικής σταθεράς του Αϊνστάιν ή είναι μια εξωτική απωθητική δύναμη, που ονομάζεται «πεμπτουσία», που θα μπορούσε να καλύψει τα τρία τέταρτα του κόσμου; Επιστήμονες από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley (Εργαστήριο Berkeley) και το Κολλέγιο Dartmouth πιστεύουν ότι υπάρχει τρόπος να το μάθουν.
Σε ένα έγγραφο που θα δημοσιευτεί στο Physical Review Letters, οι φυσικοί Eric Linder του Berkeley Lab και ο Robert Caldwell του Dartmouth δείχνουν ότι τα μοντέλα φυσικής σκοτεινής ενέργειας μπορούν να διαχωριστούν σε διαφορετικά σενάρια, τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να αποκλείσουν την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν και να εξηγήσουν τη φύση σκοτεινής ενέργειας. Επιπλέον, οι επιστήμονες θα πρέπει να είναι σε θέση να προσδιορίσουν ποια από αυτά τα σενάρια είναι σωστά με τα πειράματα που σχεδιάζονται για την Κοινή Σκοτεινή Ενέργεια Σκοτών (JDEM) που έχει προταθεί από τη NASA και το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ.
«Οι επιστήμονες υποστηρίζουν το ερώτημα« πόσο ακριβώς πρέπει να μετρήσουμε τη σκοτεινή ενέργεια για να γνωρίζουμε τι είναι; »» λέει ο Linder. «Αυτό που κάναμε στην εργασία μας είναι να προτείνουμε όρια ακριβείας για τις μετρήσεις. Ευτυχώς, αυτά τα όρια πρέπει να βρίσκονται εντός του εύρους των πειραμάτων JDEM. "
Ο Linder και ο Caldwell είναι και τα δύο μέλη της επιστημονικής ομάδας καθορισμού επιστημών για το JDEM, το οποίο έχει την ευθύνη για την κατάρτιση των επιστημονικών απαιτήσεων της αποστολής. Ο Λίντερ είναι ο ηγέτης της θεωρητικής ομάδας για το SNAP; το SuperNova / Acceleration Probe, ένα από τα προτεινόμενα οχήματα για την εκτέλεση της αποστολής JDEM. Ο Caldwell, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο Ντάρτμουθ, είναι ένας από τους δημιουργούς της έννοιας πεμπτουσία.
Στην εργασία τους στο Physical Review Letters, ο Linder και ο Caldwell περιγράφουν δύο σενάρια, ένα που αποκαλούν «απόψυξη» και ένα που ονομάζουν «κατάψυξη», που δείχνουν προς σαφώς διαφορετικές μοίρες για το μόνιμα επεκτεινόμενο σύμπαν μας. Σύμφωνα με το σενάριο απόψυξης, η επιτάχυνση της επέκτασης θα μειωθεί σταδιακά και τελικά θα σταματήσει, όπως ένα αυτοκίνητο όταν ο οδηγός χαλαρώνει στο πεντάλ γκαζιού. Η επέκταση μπορεί να συνεχιστεί πιο αργά ή το σύμπαν μπορεί ακόμη και να υποχωρήσει. Κάτω από το σενάριο κατάψυξης, η επιτάχυνση συνεχίζεται επ 'αόριστον, όπως ένα αυτοκίνητο με το πεντάλ γκαζιού πιεσμένο στο πάτωμα. Το σύμπαν θα γινόταν όλο και πιο διάχυτο, έως ότου τελικά ο γαλαξίας μας θα βρεθεί μόνος του στο διάστημα.
Ένα από αυτά τα δύο σενάρια αποκλείει την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν. Στην εφημερίδα τους, οι Linder και Caldwell δείχνουν, για πρώτη φορά, πώς να ξεχωρίζουν καθαρά την ιδέα του Αϊνστάιν από άλλες δυνατότητες. Ωστόσο, σε οποιοδήποτε σενάριο, η σκοτεινή ενέργεια είναι μια δύναμη που πρέπει να ληφθεί υπόψη.
Λέει ο Linder, «Επειδή η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί περίπου το 70 τοις εκατό του περιεχομένου του σύμπαντος, κυριαρχεί στο περιεχόμενο της ύλης. Αυτό σημαίνει ότι η σκοτεινή ενέργεια θα διέπει την επέκταση και, τελικά, θα καθορίσει τη μοίρα του σύμπαντος. "
Το 1998, δύο ερευνητικές ομάδες έπληξαν το πεδίο της κοσμολογίας με τις ανεξάρτητες ανακοινώσεις τους ότι η επέκταση του σύμπαντος επιταχύνεται. Μετρώντας την κόκκινη μετατόπιση του φωτός από supernova τύπου Ia, αστέρια βαθιού διαστήματος που εκρήγνυνται με μια χαρακτηριστική ενέργεια, ομάδες από το Supernova Cosmology Project που εδρεύουν στο Berkeley Lab και η ομάδα αναζήτησης High-Z Supernova με επίκεντρο την Αυστραλία, διαπίστωσαν ότι η επέκταση του σύμπαντος στην πραγματικότητα επιταχύνεται, όχι επιβραδύνεται. Στην άγνωστη δύναμη πίσω από αυτήν την επιταχυνόμενη επέκταση δόθηκε το όνομα «σκοτεινή ενέργεια».
Πριν από την ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας, η συμβατική επιστημονική σοφία έκρινε ότι η Μεγάλη Έκρηξη είχε ως αποτέλεσμα την επέκταση του σύμπαντος που σταδιακά θα επιβραδυνόταν από τη βαρύτητα. Εάν το περιεχόμενο της ύλης στο σύμπαν παρείχε αρκετή βαρύτητα, μια μέρα η επέκταση θα σταματούσε εντελώς και το σύμπαν θα πέσει πίσω στον εαυτό του σε μια μεγάλη κρίση. Εάν η βαρύτητα από την ύλη ήταν ανεπαρκής για να σταματήσει εντελώς τη διαστολή, το σύμπαν θα συνέχιζε να αιωρείται για πάντα.
«Από τις ανακοινώσεις το 1998 και τις επακόλουθες μετρήσεις, γνωρίζουμε τώρα ότι η επιταχυνόμενη επέκταση του σύμπαντος δεν ξεκίνησε μέχρι κάποια στιγμή τα τελευταία 10 δισεκατομμύρια χρόνια», λέει ο Caldwell.
Οι κοσμολόγοι προσπαθούν τώρα να προσδιορίσουν τι είναι ακριβώς η σκοτεινή ενέργεια. Το 1917 ο Αϊνστάιν τροποποίησε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας με μια κοσμολογική σταθερά, η οποία, αν η τιμή ήταν σωστή, θα επέτρεπε στο σύμπαν να υπάρχει σε μια απόλυτα ισορροπημένη, στατική κατάσταση. Αν και ο πιο διάσημος φυσικός της ιστορίας θα αποκαλούσε αργότερα την προσθήκη αυτής της σταθεράς ως «το μεγαλύτερο λάθος», η ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας αναβίωσε την ιδέα.
«Η κοσμολογική σταθερά ήταν μια ενέργεια κενού (η ενέργεια του κενού χώρου) που κράτησε τη βαρύτητα από το να τραβήξει το σύμπαν από μόνη της», λέει ο Linder. «Ένα πρόβλημα με την κοσμολογική σταθερά είναι ότι είναι σταθερή, με την ίδια ενεργειακή πυκνότητα, πίεση και εξίσωση κατάστασης με την πάροδο του χρόνου. Η σκοτεινή ενέργεια, ωστόσο, έπρεπε να είναι αμελητέα στα πρώτα στάδια του σύμπαντος. Αλλιώς οι γαλαξίες και όλα τα αστέρια τους δεν θα είχαν σχηματιστεί ποτέ. "
Για να καταλήξει η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν στο σύμπαν που βλέπουμε σήμερα, η ενεργειακή κλίμακα θα πρέπει να είναι πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερες από οτιδήποτε άλλο στο σύμπαν. Ενώ αυτό μπορεί να είναι δυνατό, λέει ο Linder, δεν φαίνεται πιθανό. Εισαγάγετε την έννοια του «πεμπτουσία», που πήρε το όνομά του από το πέμπτο στοιχείο των αρχαίων Ελλήνων, εκτός από τον αέρα, τη γη, τη φωτιά και το νερό. πίστευαν ότι ήταν η δύναμη που κράτησε το φεγγάρι και τα αστέρια στη θέση τους.
«Το πεμπτουσία είναι μια δυναμική, εξελισσόμενη από το χρόνο και χωρικά εξαρτώμενη μορφή ενέργειας με αρνητική πίεση επαρκή για να οδηγήσει την επιταχυνόμενη επέκταση», λέει ο Caldwell. «Ενώ η κοσμολογική σταθερά είναι μια πολύ συγκεκριμένη μορφή ενέργειας; ενέργεια κενού; πεμπτουσία περιλαμβάνει μια ευρεία κατηγορία δυνατοτήτων. "
Για να περιορίσουν τις πιθανότητες πεμπτουσίας και να παρέχουν σταθερούς στόχους για βασικές δοκιμές που θα επιβεβαίωναν επίσης την υποψηφιότητά του ως πηγή σκοτεινής ενέργειας, οι Linder και Caldwell χρησιμοποίησαν ένα σκοτεινό πεδίο ως μοντέλο τους. Ένα πεδίο κλίμακας διαθέτει ένα μέτρο τιμής αλλά όχι κατεύθυνση για όλα τα σημεία στο διάστημα. Με αυτήν την προσέγγιση, οι συγγραφείς μπόρεσαν να δείξουν την πεμπτουσία ως ένα σκοτεινό πεδίο χαλαρώνοντας τη δυνητική του ενέργεια σε μια ελάχιστη τιμή. Σκεφτείτε ένα σύνολο ελατηρίων υπό ένταση και ασκήστε αρνητική πίεση που αντισταθμίζει τη θετική πίεση της βαρύτητας.
«Ένα πεμπτουσιακό πεδίο είναι σαν ένα πεδίο ελατηρίων που καλύπτει κάθε σημείο στο διάστημα, με κάθε ελατήριο να εκτείνεται σε διαφορετικό μήκος», είπε ο Λίντερ. "Για την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν, κάθε άνοιξη θα έχει το ίδιο μήκος και ακίνητη."
Κάτω από το σενάριο απόψυξης, η πιθανή ενέργεια του πεδίου πεμπτουσίας «παγώθηκε» στη θέση της έως ότου η μειούμενη πυκνότητα υλικού ενός διαστελλόμενου σύμπαντος την απελευθέρωσε σταδιακά. Στο σενάριο κατάψυξης, το πεδίο πεμπτουσίας κυλιόταν προς το ελάχιστο δυναμικό του, αφού το σύμπαν υπέστη πληθωρισμό, αλλά καθώς κυριαρχεί το σύμπαν, σταδιακά γίνεται σταθερή τιμή.
Η πρόταση SNAP βρίσκεται στην έρευνα και ανάπτυξη από φυσικούς, αστρονόμους και μηχανικούς στο Berkeley Lab, σε συνεργασία με συναδέλφους από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και πολλά άλλα ιδρύματα. Ζητεί ένα τηλεσκόπιο τριών καθρεφτών, 2 μέτρων, σε τροχιά μεγάλου διαστήματος, το οποίο θα χρησιμοποιείται για την εύρεση και τη μέτρηση χιλιάδων σουπερνόβα τύπου Ia κάθε χρόνο. Αυτές οι μετρήσεις θα πρέπει να παρέχουν αρκετές πληροφορίες για να δείχνουν σαφώς είτε το σενάριο απόψυξης είτε κατάψυξης; ή σε κάτι άλλο εντελώς νέο και άγνωστο.
Λέει ο Linder, «Εάν τα αποτελέσματα από μετρήσεις όπως αυτές που θα μπορούσαν να γίνουν με το SNAP βρίσκονται έξω από τα σενάρια απόψυξης ή κατάψυξης, τότε ίσως χρειαστεί να κοιτάξουμε πέρα από την πεμπτουσία, ίσως ακόμη και στην πιο εξωτική φυσική, όπως μια τροποποίηση της Γενικής Θεωρίας του Αϊνστάιν Σχετικότητας για να εξηγήσει τη σκοτεινή ενέργεια. "
Αρχική πηγή: Δελτίο ειδήσεων στο Berkeley Lab
