Sonda SuperNova / ubrzanje, SNAP. Kreditna slika: Berkeley Lab Kliknite za povećanje
Koja je tajanstvena tamna energija koja uzrokuje ubrzanje širenja svemira? Da li je to neki oblik Einsteinove čuvene kozmološke konstante ili je to egzotična odbojna sila, nazvana "kvintesencija", koja bi mogla činiti čak tri četvrtine kosmosa? Znanstvenici iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) i Dartmouth College vjeruju da postoji način da se to sazna.
U radu koji će biti objavljen u časopisima Physical Review Letters, fizičari Eric Linder iz Berkeley Lab i Robert Caldwell iz Dartmoutha pokazuju da se fizički modeli tamne energije mogu razdvojiti u različite scenarije, koji bi se mogli koristiti za isključenje Einsteinove kozmološke konstante i objašnjenje prirode tamne energije. Pored toga, znanstvenici bi trebali moći utvrditi koji je od ovih scenarija ispravan s eksperimentima koji su planirani za Zajedničku misiju tamne energije (JDEM) koju su predložili NASA i američko Ministarstvo energetike.
"Znanstvenici se svađaju s pitanjem" koliko točno trebamo mjeriti tamnu energiju da bismo znali što je to? ", Kaže Linder. „Ono što smo učinili u našem radu sugeriraju ograničenja preciznosti mjerenja. Srećom, ta bi ograničenja trebala biti unutar raspona JDEM eksperimenata. "
Linder i Caldwell su obojica tima DOE-NASA-inog znanstvenog tima za JDEM, koji je odgovoran za sastavljanje znanstvenih zahtjeva misije. Linder je lider teorijske grupe za SNAP? sonda SuperNova / ubrzanje, jedno od predloženih vozila za obavljanje misije JDEM. Caldwell, profesor fizike i astronomije u Dartmouthu, jedan je od pokretača koncepta kvintesencije.
Linder i Caldwell u svom časopisu Physical Review Letters opisuju dva scenarija, jedan koji nazivaju „odmrzavanje“, a drugi „zamrzavanje“, koji upućuju na izrazito različite sudbine našeg svemira koji se stalno širi. Prema scenariju odmrzavanja, ubrzanje ekspanzije postepeno će se smanjivati i na kraju će se zaustaviti, poput automobila kad vozač uskoči na papučicu gasa. Ekspanzija se može nastaviti sporije ili se svemir čak može prisjetiti. Prema scenariju smrzavanja, ubrzanje se nastavlja u nedogled, poput automobila s papučicom gasa gurnutim na pod. Svemir bi postajao sve difuzniji, sve dok se na kraju naša galaksija ne bi našla sama u svemiru.
Bilo koji od ova dva scenarija isključuje Einsteinovu kozmološku konstantu. U svom radu, Linder i Caldwell, po prvi put pokazuju kako čisto razdvojiti Einsteinovu ideju od drugih mogućnosti. Međutim, u bilo kojem scenariju, tamna energija je sila s kojom se treba uzeti u obzir.
Linder kaže, "Budući da tamna energija čini oko 70 posto sadržaja svemira, ona dominira nad sadržajem materije. To znači da će tamna energija upravljati širenjem i, u konačnici, odrediti sudbinu svemira. "
Godine 1998. dvije su istraživačke skupine raketirale polje kozmologije svojim neovisnim najavama da se širenje svemira ubrzava. Mjereći crveni pomak svjetlosti iz supernovae tipa Ia, zvijezda iz svemira iz dubokog svemira koje eksplodiraju s karakterističnom energijom, timovi iz projekta kozmologije Supernove sa sjedištem u laboratoriju Berkeley i High-Z tim supervizora Supernove sa sjedištem u Australiji utvrdili su da je širenje svemira zapravo ubrzava, a ne usporava. Nepoznata sila iza ovog ubrzanog širenja dobila je ime "tamna energija".
Prije otkrića tamne energije, konvencionalna znanstvena mudrost smatrala je da je Veliki prasak doveo do širenja svemira koje će gravitacija postepeno usporiti. Ako je sadržaj materije u svemiru pružio dovoljno gravitacije, jednog dana širenje bi se potpuno zaustavilo i svemir bi se vratio na sebe u velikom krču. Ako gravitacija iz materije nije bila dovoljna da bi se potpuno zaustavila ekspanzija, svemir bi zauvijek nastavio lebdjeti.
"Iz najava iz 1998. i naknadnih mjerenja sada znamo da ubrzano širenje svemira nije započelo negdje u posljednjih 10 milijardi godina", kaže Caldwell.
Kozmolozi se sada trude utvrditi što je točno tamna energija. Einstein je 1917. godine izmijenio svoju Opću teoriju relativnosti kozmološkom konstantom, koja bi, ako je vrijednost ispravna, omogućila da svemir postoji u savršeno uravnoteženom, statičkom stanju. Iako će najpoznatiji fizičar povijesti kasnije dodavanje te konstante nazvati "najvećom greškom", otkriće tamne energije oživjelo je ideju.
"Kozmološka konstanta bila je energija vakuuma (energija praznog prostora) koja je držala gravitaciju da povuče svemir u sebe", kaže Linder. "Problem s kosmološkom konstantom je taj što je ona konstantna, s istom energetskom gustoćom, pritiskom i jednadžbom stanja tijekom vremena. Tamna energija, međutim, morala je biti zanemariva u najranijim fazama svemira; inače se galaksije i sve njihove zvijezde nikada ne bi formirale. "
Da bi Einsteinova kozmološka konstanta rezultirala u svemiru koji danas vidimo, energetska bi skala trebala biti mnogostruko manja od svih ostalih u svemiru. Iako je to moguće, kaže Linder, to ne izgleda vjerojatno. Unesite pojam "kvintesencija", nazvanu po petom elementu starih Grka, pored zraka, zemlje, vatre i vode; vjerovali su da je to sila koja drži mjesec i zvijezde na mjestu.
"Kvintesencija je dinamičan, vremenski evolucijski i prostorno ovisan oblik energije s negativnim tlakom koji je dovoljan da pokrene ubrzano širenje", kaže Caldwell. "Dok je kosmološka konstanta vrlo specifičan oblik energije? vakuum energija? kvintesencija obuhvaća široku klasu mogućnosti. "
Kako bi ograničili mogućnosti za kvintesenciju i osigurali čvrste ciljeve za osnovne testove koji bi također potvrdili njegovu kandidaturu kao izvor tamne energije, Linder i Caldwell koristili su skalarno polje kao svoj model. Skalarno polje posjeduje mjeru vrijednosti, ali ne i smjer za sve točke u prostoru. Ovakvim pristupom autori su mogli pokazati kvintesenciju kao skalarno polje opuštajući svoju potencijalnu energiju na minimalnu vrijednost. Zamislite skup opruga pod napetošću i vršeći negativan pritisak koji je suprotan pozitivnom pritisku gravitacije.
"Skalarno polje kvintesencije je poput polja opruga koje pokrivaju svaku točku u prostoru, pri čemu se svaka opruga pruža do različite duljine", rekao je Linder. "Za Einsteinovu kozmološku konstantu, svako bi proljeće bilo iste dužine i nepomično."
Prema njihovom scenariju odmrzavanja, potencijalna energija polja kvintesencije bila je "zamrznuta" na mjestu sve dok se smanjuje gustoća materijala u svemiru koji se širi. U scenariju smrzavanja, polje kvintesencije kreće se prema svom minimalnom potencijalu otkad je svemir prošao kroz inflaciju, ali kako dolazi u dominaciju nad svemirom, postepeno postaje konstantna vrijednost.
Prijedlog SNAP-a je u istraživanju i razvoju fizičara, astronoma i inženjera iz Berkeley laboratorija, u suradnji s kolegama sa Kalifornijskog sveučilišta u Berkeleyu i mnogim drugim institucijama; traži tri zrcali 2-metarski reflektirajući teleskop u orbiti dubokog svemira koji bi se koristio za pronalaženje i mjerenje tisuća tipa Ia supernova svake godine. Ova bi mjerenja trebala pružiti dovoljno informacija da se jasno ukaže bilo na scenarij odmrzavanja ili smrzavanja? ili na nešto drugo posve novo i nepoznato.
Linder kaže: "Ako rezultati mjerenja poput onih koja se mogu obaviti SNAP-om leže izvan scenarija otapanja ili smrzavanja, onda ćemo možda morati gledati izvan kvintesencije, možda čak i još egzotičnije fizike, poput modifikacije Einsteinove Opće teorije relativnosti da objasni tamnu energiju. "
Izvorni izvor: Berkeley Lab News Release
