„SuperNova“ / pagreičio zondas, SNAP. Atvaizdo kreditas: „Berkeley Lab“ Padidinti
Kokia paslaptinga tamsi energija skatina visatos plėtimąsi? Ar tai yra kažkokia garsaus Einšteino kosmologinės konstantos forma, ar tai egzotiška atstumianti jėga, vadinama „kvintesencija“, kuri galėtų sudaryti net tris ketvirtadalius kosmoso? Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos (Berkeley Lab) ir Dartmouth koledžo mokslininkai mano, kad yra būdas tai sužinoti.
Straipsnyje, kuris bus paskelbtas „Physical Review Letters“, fizikai Erikas Linderis iš „Berkeley Lab“ ir Robertas Caldwellas iš Dartmuto rodo, kad tamsiosios energijos fizikos modelius galima suskirstyti į skirtingus scenarijus, kurie galėtų būti naudojami siekiant paneigti Einšteino kosmologinę konstantą ir paaiškinti prigimtį. tamsiosios energijos. Be to, mokslininkai turėtų sugebėti nustatyti, kuris iš šių scenarijų yra teisingas eksperimentams, planuojamiems Jungtinėje tamsiosios energijos misijoje (JDEM), kurią pasiūlė NASA ir JAV energetikos departamentas.
„Mokslininkai ginčijasi,„ kaip tiksliai turime išmatuoti tamsiąją energiją, kad žinotume, kas tai yra? “, - sako Linderis. „Tai, ką mes padarėme savo darbe, yra matavimo tikslumo ribos. Laimei, šios ribos turėtų atitikti JDEM eksperimentų diapazoną. “
Linderis ir Caldwellas yra JDEM DOE-NASA mokslinio apibrėžimo grupės nariai, atsakingi už misijos mokslinių reikalavimų parengimą. Linderis yra SNAP teorijos grupės vadovas? SuperNova / Acceleration Probe, viena iš siūlomų transporto priemonių JDEM misijai vykdyti. Dartmuto fizikos ir astronomijos profesorius Caldwellas yra vienas iš kvintesencijos koncepcijos iniciatorių.
Savo leidinyje „Physical Review Letters“ Linderis ir Caldwellas aprašo du scenarijus: vieną jie vadina „atšildymu“, o kitą - „užšalimu“, kurie nurodo į aiškiai skirtingus likimus mūsų nuolat besiplečiančiai visatai. Pagal atšilimo scenarijų, išsiplėtimo pagreitis pamažu mažės ir galiausiai sustos, kaip automobilis, kai vairuotojas atsipalaiduoja ant dujų pedalo. Išsiplėtimas gali tęstis lėčiau arba visata gali net pakartoti. Pagal užšalimo scenarijų pagreitis tęsiasi neribotą laiką, kaip automobilis, kurio dujų pedalas stumiamas į grindis. Visata taps vis labiau difuzinė, kol galiausiai mūsų galaktika atsidurs viena kosmose.
Bet kuris iš šių scenarijų atmeta Einšteino kosmologinę konstantą. Pirmą kartą jų knygoje „Linder“ ir „Caldwell“ parodyta, kaip tinkamai atskirti Einšteino idėją nuo kitų galimybių. Tačiau pagal bet kurį scenarijų tamsi energija yra jėga, su kuria reikia atsiminti.
Sako Linderis: „Kadangi tamsi energija sudaro apie 70 procentų visatos turinio, ji dominuoja virš materijos. Tai reiškia, kad tamsi energija valdys plėtrą ir galiausiai lems Visatos likimą. “
1998 m. Dvi tyrimų grupės sureagavo į kosmologijos sritį, paskelbdamos nepriklausomus pranešimus, kad visatos plėtimasis spartėja. Išmatuodamos raudonojo poslinkio iš Ia tipo supernovų, giliųjų kosminių žvaigždžių, kurios sprogsta būdingos energijos, „Supernova“ kosmologijos projekto, kurio būstinė yra Berkeley Lab, ir „High-Z Supernova“ paieškos komandos, esančios Australijoje, komandos nustatė, kad visatos plėtimasis faktiškai įsibėgėja, o ne lėtėja. Nežinoma jėga, sukelianti šią pagreitintą plėtrą, buvo pavadinta „tamsiąja energija“.
Prieš tamsiosios energijos atradimą, įprasta mokslinė išmintis teigė, kad Didysis sprogimas lėmė visatos išsiplėtimą, kurį pamažu sulėtins gravitacija. Jei materijos kiekis Visatoje suteiktų pakankamai gravitacijos, vieną dieną išsiplėtimas visiškai nutrūktų ir Visata vėl atsidurtų pati savaime. Jei materijos gravitacija nebuvo pakankama, kad visiškai sustabdytų išsiplėtimą, Visata ir toliau plūdėtų vienas po kito amžinai.
„Iš 1998 m. Pranešimų ir vėlesnių matavimų mes dabar žinome, kad spartesnė Visatos plėtra prasidėjo tik kažkur per pastaruosius 10 milijardų metų“, - sako Caldwellas.
Kosmologai dabar skandalo nustatyti, kas yra tamsioji energija. 1917 m. Einšteinas iš dalies pakeitė savo Bendrąją reliatyvumo teoriją kosmologine konstanta, kuri, jei reikšmė būtų teisinga, leistų visatai egzistuoti tobulai subalansuotoje, statinėje būsenoje. Nors garsiausias istorijos žinovas istoriją vėliau pavadins šio pastovumo pridėjimu, „didžiausiu nesklandumu“, tamsiosios energijos atradimas atgaivino šią mintį.
„Kosmologinė konstanta buvo vakuuminė energija (tuščios erdvės energija), neleidžianti gravitacijai traukti visatos į save“, - sako Linderis. „Kosmologinės konstantos problema yra ta, kad ji yra pastovi, turinti tą patį energijos tankį, slėgį ir būklės lygtį bėgant laikui. Tačiau tamsiosios energijos ankstyviausiuose Visatos etapuose turėjo būti nedaug; kitaip galaktikos ir visos jų žvaigždės niekada nebūtų susiformavusios “.
Kad Einšteino kosmologinė konstanta galėtų sukelti visatą, kurią mes matome šiandien, energijos skalė turėtų būti daugybe laipsnių mažesnė nei bet kuri kita visatoje. Nors tai gali būti įmanoma, sako Linderis, neatrodo tikėtina. Įveskite „kvintesencijos“ sąvoką, pavadintą penktuoju senovės graikų elementu, be oro, žemės, ugnies ir vandens; jie tikėjo, kad tai jėga, laikanti mėnulį ir žvaigždes vietoje.
„Kvintesencija yra dinaminė, kintanti nuo laiko ir erdvės priklausanti energijos forma, kurios neigiamas slėgis yra pakankamas pagreičio plėtrai skatinti“, - sako Caldwellas. „Kadangi kosmologinė konstanta yra labai specifinė energijos rūšis? vakuumo energija? kvintesencija apima daugybę galimybių. “
Norėdami apriboti kvintesencijos galimybes ir pateikti tvirtus pagrindinių testų tikslus, kurie taip pat patvirtintų jo kandidatūrą kaip tamsiosios energijos šaltinį, Linderis ir Caldwellas savo modeliu naudojo skaliarinį lauką. Skaliarinis laukas turi reikšmės dydį, bet ne kryptį visiems kosmoso taškams. Taikydami šį požiūrį, autoriai sugebėjo parodyti kvintesenciją kaip skaliarinį lauką, atpalaiduojantį jo potencialią energiją iki minimumo. Pagalvokite apie spyruoklių rinkinį, esant įtemptai ir veikiantį neigiamą slėgį, kuris neutralizuoja teigiamą sunkio jėgos slėgį.
„Kvintesencijos skaliarinis laukas yra tarsi spyruoklių laukas, apimantis kiekvieną erdvės tašką, kiekvieną spyruoklę ištempiant į skirtingą ilgį“, - teigė L. Linderis. „Einšteino kosmologinei konstantai kiekviena spyruoklė būtų tokio paties ilgio ir nejudanti“.
Pagal jų tirpimo scenarijų potenciali kvintesencijos lauko energija buvo „užšaldyta“ vietoje, kol besiplečiančios visatos mažėjantis medžiagų tankis ją pamažu išleido. Pagal užšalimo scenarijų kvintesencijos laukas artėjo prie savo minimalaus potencialo, nes Visatoje kilo infliacija, tačiau, vyraujant Visatoje, jis pamažu tampa pastovia verte.
SNAP pasiūlymą tiria ir plėtoja fizikai, astronomai ir inžinieriai „Berkeley Lab“ bendradarbiaudami su kolegomis iš Kalifornijos universiteto Berkeley ir daugelyje kitų institucijų; tai reikalauja trijų veidrodžių, 2 metrų atspindinčio teleskopo, esančio gilios kosmoso orbitoje, kuris būtų naudojamas kasmet surasti ir išmatuoti tūkstančius Ia tipo supernovų. Šie matavimai turėtų suteikti pakankamai informacijos, kad būtų galima aiškiai nukreipti į tirpimo ar užšalimo scenarijų? arba kažkam kitam visiškai naujam ir nežinomam.
Sako Linderis: „Jei tokių matavimų, kurie gali būti atlikti naudojant SNAP, rezultatai nepatenka į atšildymo ar užšalimo scenarijus, mums gali tekti pažvelgti ne į kvintesenciją, galbūt į dar egzotiškesnę fiziką, pavyzdžiui, į Einšteino bendrosios teorijos modifikaciją. , kad paaiškintų tamsiąją energiją “.
Originalus šaltinis: „Berkeley Lab“ naujienų leidinys
