Sonda SuperNova / Acceleration, SNAP. Credit imagine: Berkeley Lab Click pentru marire
Care este misterioasa energie întunecată care determină expansiunea universului să se accelereze? Este oare o formă a celebrei constante cosmologice a lui Einstein sau este o forță repulsivă exotică, supranumită „chintesență”, care ar putea constitui până la trei sferturi din cosmos? Oamenii de știință de la Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) și Dartmouth College cred că există o modalitate de a afla.
Într-o lucrare care va fi publicată în Physical Review Letters, fizicienii Eric Linder din Berkeley Lab și Robert Caldwell din Dartmouth arată că modelele fizice ale energiei întunecate pot fi separate în scenarii distincte, care ar putea fi folosite pentru a exclude constanta cosmologică a lui Einstein și a explica natura. de energie întunecată. Mai mult decât atât, oamenii de știință ar trebui să poată determina care dintre aceste scenarii este corect cu experimentele planificate pentru misiunea comună a energiei întunecate (JDEM), propusă de NASA și Departamentul de Energie al SUA.
„Oamenii de știință au pus întrebarea„ cât de precis trebuie să măsurăm energia întunecată pentru a ști ce este? ”, Spune Linder. „Ceea ce am făcut în lucrarea noastră este să sugereze limite de precizie pentru măsurători. Din fericire, aceste limite ar trebui să se încadreze în intervalul experimentelor JDEM. ”
Linder și Caldwell sunt ambii membri ai echipei de definiție științifică DOE-NASA pentru JDEM, care are responsabilitatea elaborării cerințelor științifice ale misiunii. Linder este liderul grupului de teorie pentru SNAP? SuperNova / Acceleration Probe, unul dintre vehiculele propuse pentru îndeplinirea misiunii JDEM. Caldwell, profesor de fizică și astronomie la Dartmouth, este unul dintre originarii conceptului de chintesență.
În lucrarea lor din Physical Review Letters, Linder și Caldwell descriu două scenarii, unul pe care îl numesc „dezgheț” și unul pe care îl numesc „îngheț”, care indică destinații diferite pentru universul nostru în continuă expansiune. În scenariul de dezgheț, accelerarea expansiunii va scădea treptat și, în cele din urmă, se va opri, ca o mașină atunci când șoferul se va deplasa pe pedala de gaz. Extinderea poate continua mai încet sau universul poate chiar se prăbuși. În scenariul de îngheț, accelerația continuă la nesfârșit, ca o mașină cu pedala de gaz împinsă pe podea. Universul ar deveni din ce în ce mai difuz, până când galaxia noastră se va găsi singură în spațiu.
Oricare dintre aceste două scenarii exclude constanta cosmologică a lui Einstein. În lucrarea lor, Linder și Caldwell arată, pentru prima dată, cum să separăm curată ideea lui Einstein de alte posibilități. Cu toate acestea, în orice scenariu, energia întunecată este o forță care trebuie luată în considerare.
Spune Linder, „Deoarece energia întunecată constituie aproximativ 70 la sută din conținutul universului, ea domină conținutul materiei. Aceasta înseamnă că energia întunecată va guverna expansiunea și, în final, va determina soarta universului. ”
În 1998, două grupuri de cercetare au zguduit domeniul cosmologiei cu anunțurile lor independente că expansiunea universului se accelerează. Măsurând redshift-ul luminii de la supernovele de tip Ia, stele în spațiu profund care explodează cu o energie caracteristică, echipele de la Supernova Cosmology Project cu sediul la Berkeley Lab și High-Z Supernova Search Team, centrate în Australia, au stabilit că extinderea universului de fapt se accelerează, nu decelerează. Forța necunoscută din spatele acestei expansiuni accelerate a primit numele de „energie întunecată”.
Înainte de descoperirea energiei întunecate, înțelepciunea științifică convențională a afirmat că Big Bang-ul a avut ca rezultat o extindere a universului care va fi încetinită treptat de gravitație. Dacă conținutul de materie din univers ar furniza suficientă gravitație, într-o bună zi, expansiunea s-ar opri cu totul și universul ar cădea înapoi în sine într-un Big Crunch. Dacă gravitația din materie ar fi insuficientă pentru a opri complet expansiunea, universul ar continua să plutească pentru totdeauna.
„Din anunțurile din 1998 și măsurătorile ulterioare, știm acum că expansiunea accelerată a universului nu a început până cândva în ultimii 10 miliarde de ani”, spune Caldwell.
Cosmologii se plimbă acum pentru a determina care este exact energia întunecată. În 1917, Einstein și-a modificat teoria generală a relativității cu o constantă cosmologică, care, dacă valoarea ar fi corectă, ar permite universului să existe într-o stare perfect echilibrată, statică. Deși cel mai cunoscut fizician din istorie ar numi mai târziu adăugarea acestei constante „cea mai mare gafă”, descoperirea energiei întunecate a reînviat ideea.
„Constanta cosmologică a fost o energie în vid (energia spațiului gol) care a împiedicat gravitația de a trage universul în sine”, spune Linder. „O problemă a constantei cosmologice este aceea că este constantă, cu aceeași densitate de energie, presiune și ecuație de stare în timp. Totuși, energia întunecată a trebuit să fie neglijabilă în primele etape ale universului; altfel galaxiile și toate stelele lor nu s-ar fi format niciodată. ”
Pentru ca constanta cosmologică a lui Einstein să rezulte în universul pe care îl vedem astăzi, scara energetică ar trebui să fie mai multe ordine de mărime mai mici decât orice altceva din univers. În timp ce acest lucru poate fi posibil, spune Linder, nu pare probabil. Introduceți conceptul de „chintesență”, denumit după al cincilea element al grecilor antici, pe lângă aer, pământ, foc și apă; ei credeau că este forța care ținea luna și stelele la locul lor.
„Quintessence este o formă de energie dinamică, în timp și dependentă de spațiu, cu o presiune negativă suficientă pentru a conduce expansiunea accelerată”, spune Caldwell. „Întrucât constanta cosmologică este o formă foarte specifică de energie? energie în vid? chintesența cuprinde o clasă largă de posibilități. ”
Pentru a limita posibilitățile de chintesență și a oferi ținte ferme pentru testele de bază, care ar confirma, de asemenea, candidatura sa ca sursă de energie întunecată, Linder și Caldwell au folosit un model scalar ca model. Un câmp scalar posedă o măsură de valoare, dar nu de direcție pentru toate punctele din spațiu. Prin această abordare, autorii au fost capabili să arate chintesența ca un câmp scalar relaxându-și energia potențială până la o valoare minimă. Gândiți-vă la un set de arcuri sub tensiune și care exercită o presiune negativă care contracarează presiunea pozitivă a gravitației.
„Un câmp scalar de chintesență este ca un câmp de arcuri care acoperă fiecare punct din spațiu, cu fiecare arc întins la o lungime diferită”, a spus Linder. „Pentru constanta cosmologică a lui Einstein, fiecare primăvară ar fi aceeași lungime și nemișcată.”
În cadrul scenariului lor de dezghețare, energia potențială a câmpului de chintesență a fost „înghețată” până când densitatea materială scăzută a unui univers în expansiune a eliberat-o treptat. În scenariul de îngheț, câmpul de chintesență se învârte către potențialul său minim de când universul a suferit inflație, dar, pe măsură ce vine să domine universul, devine treptat o valoare constantă.
Propunerea SNAP este în cercetare și dezvoltare de către fizicieni, astronomi și ingineri la Berkeley Lab, în colaborare cu colegii de la Universitatea din California din Berkeley și multe alte instituții; solicită un telescop reflectorizant de trei metri în 2 orbe pe orbita spațiului adânc, care ar fi folosit pentru a găsi și măsura mii de supernove de tip Ia în fiecare an. Aceste măsurători ar trebui să ofere suficiente informații pentru a orienta în mod clar fie decongelarea sau scenariul de îngheț? sau la altceva cu totul nou și necunoscut.
Spune Linder, „Dacă rezultatele unor măsurători precum cele care ar putea fi făcute cu SNAP se situează în afara scenariilor de dezgheț sau îngheț, atunci ar trebui să privim dincolo de chintesență, poate și la fizica și mai exotică, cum ar fi o modificare a Teoriei Generale a lui Einstein. de Relativitate pentru a explica energia întunecată. "
Sursa originală: Comunicat de presă Berkeley Lab
