SuperNova / Acceleration Probe, SNAP. Bildkredit: Berkeley Lab Klicka för förstoring
Vilken är den mystiska mörka energin som får universums expansion att accelerera? Är det någon form av Einsteins berömda kosmologiska konstant, eller är det en exotisk avvisande kraft, kallad "kvintessens", som kan utgöra så mycket som tre fjärdedelar av kosmos? Forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Dartmouth College tror att det finns ett sätt att ta reda på.
I en artikel som kommer att publiceras i Physical Review Letters, visar fysikerna Eric Linder från Berkeley Lab och Robert Caldwell från Dartmouth att fysikmodeller av mörk energi kan separeras i distinkta scenarier, som kan användas för att utesluta Einsteins kosmologiska konstant och förklara naturen av mörk energi. Dessutom borde forskare kunna avgöra vilka av dessa scenarier som är korrekta med de experiment som planeras för Joint Dark Energy Mission (JDEM) som har föreslagits av NASA och U.S.A.
"Forskare har diskuterat frågan" hur exakt måste vi mäta mörk energi för att veta vad det är? ", Säger Linder. ”Det vi har gjort i vårt papper föreslår precisionsgränser för mätningarna. Lyckligtvis borde dessa gränser ligga inom området för JDEM-experimenten. ”
Linder och Caldwell är båda medlemmar i DOE-NASAs vetenskapsdefinitionsgrupp för JDEM, som har ansvaret för att utarbeta uppdragets vetenskapliga krav. Linder är ledare för teorigruppen för SNAP? SuperNova / Acceleration Probe, ett av de föreslagna fordonen för att genomföra JDEM-uppdraget. Caldwell, professor i fysik och astronomi vid Dartmouth, är en av upphovsmännen till kvintessensbegreppet.
I sina artiklar i Physical Review Letters Linder och Caldwell beskriver två scenarier, en de kallar ”tining” och en de kallar ”frysning”, som pekar mot tydligt olika öden för vårt permanent expanderande universum. Under upptiningsscenariot kommer accelerationen av expansionen gradvis att minska och så småningom stoppa, som en bil när föraren lättar på gaspedalen. Expansionen kan fortsätta långsammare, eller universum kan till och med återfalla. Under frysscenariot fortsätter accelerationen på obestämd tid, som en bil med gaspedalen skjutit mot golvet. Universum skulle bli alltmer diffust tills vår galax så småningom skulle hitta sig ensam i rymden.
Endera av dessa två scenarier utesluter Einsteins kosmologiska konstant. I deras papper visar Linder och Caldwell för första gången hur man rent kan skilja Einsteins idé från andra möjligheter. Under vilket scenario som helst är emellertid mörk energi en kraft som man måste räkna med.
Säger Linder, ”Eftersom mörk energi utgör cirka 70 procent av universums innehåll, dominerar den över materiens innehåll. Det betyder att mörk energi kommer att styra expansionen och i slutändan bestämma universums öde. ”
1998 gungade två forskargrupper kosmologifältet med sina oberoende tillkännagivanden om att universums expansion växer snabbare. Genom att mäta den röda skiftningen av ljus från supernovaer av typ Ia, djupa rymdsstjärnor som exploderar med en karakteristisk energi, bestämde team från Supernova Cosmology Project med huvudkontor vid Berkeley Lab och High-Z Supernova Search Team centrerat i Australien att utbyggnaden av universum faktiskt accelererar, inte retarderar. Den okända kraften bakom denna accelererade expansion fick namnet "mörk energi."
Innan upptäckten av mörk energi ansåg konventionell vetenskaplig visdom att Big Bang hade resulterat i en expansion av universum som gradvis skulle bromsas av allvar. Om materieinnehållet i universum gav tillräckligt med tyngdkraft, skulle en dag expansionen stoppa helt och universum skulle falla tillbaka på sig själv i en Big Crunch. Om tyngdekraften från materien inte var tillräcklig för att helt stoppa expansionen, skulle universum fortsätta flyta isär för evigt.
"Från tillkännagivandet 1998 och efterföljande mätningar vet vi nu att den accelererade expansionen av universum inte började förr någon gång under de senaste 10 miljarder åren," säger Caldwell.
Kosmologer rusar nu för att avgöra vad exakt mörk energi är. År 1917 ändrade Einstein sin allmänna relativitetsteori med en kosmologisk konstant, som, om värdet var rätt, skulle tillåta universum att existera i ett perfekt balanserat, statiskt tillstånd. Även om historiens mest berömda fysiker senare skulle kalla tillägget av denna konstant hans "största bommar", har upptäckten av mörk energi återupplivat idén.
"Den kosmologiska konstanten var en vakuumenergi (det tomma utrymmet) som höll tyngdkraften från att dra universumet i sig själv," säger Linder. ”Ett problem med den kosmologiska konstanten är att den är konstant, med samma energitäthet, tryck och tillståndets ekvation över tid. Mörk energi måste dock vara försumbar i universums tidigaste stadier; annars skulle galaxerna och alla deras stjärnor aldrig ha bildats. ”
För att Einsteins kosmologiska konstant ska resultera i det universum vi ser idag, skulle energiskalan vara många storleksordningar mindre än något annat i universum. Även om detta kan vara möjligt, säger Linder, verkar det inte troligt. Ange begreppet "kvintessens", uppkallad efter det femte elementet i de antika grekerna, förutom luft, jord, eld och vatten; de trodde att det var kraften som höll månen och stjärnorna på plats.
"Quintessence är en dynamisk, tidsutvecklande och rumsligt beroende form av energi med negativt tryck som är tillräckligt för att driva den accelererande expansionen," säger Caldwell. Medan den kosmologiska konstanten är en mycket specifik form av energi? vakuumenergi? kvintessens omfattar en bred klass av möjligheter. ”
Linder och Caldwell använde ett skalfält som modell för att begränsa möjligheterna till stillhet och tillhandahålla fasta mål för grundläggande test som också skulle bekräfta dess kandidatur som källa till mörk energi. Ett skalfält har ett mått på värde men inte riktning för alla punkter i rymden. Med detta tillvägagångssätt kunde författarna visa kvintessens som ett skalfält som slappnar av sin potentiella energi ner till ett minimivärde. Tänk på en uppsättning fjädrar under spänning och utöva ett negativt tryck som motverkar det positiva tyngdtrycket.
"Ett kvintessens skalfält är som ett fält av fjädrar som täcker varje punkt i rymden, med varje fjäder sträckt till en annan längd," sade Linder. "För Einsteins kosmologiska konstant skulle varje vår vara av samma längd och rörligt."
Enligt deras upptiningsscenario "frystes" potentiell energi i kvintessensfältet tills den minskande materialtätheten i ett expanderande universum gradvis släppte det. I det frysande scenariot har kvintessensfältet rullat mot sin minsta potential sedan universum genomgick inflation, men när det kommer att dominera universumet blir det gradvis ett konstant värde.
SNAP-förslaget är i forskning och utveckling av fysiker, astronomer och ingenjörer vid Berkeley Lab, i samarbete med kollegor från University of California i Berkeley och många andra institutioner; det kräver ett tre-spegel, 2-meter reflekterande teleskop i en djup rymdbana som skulle användas för att hitta och mäta tusentals supernovaer av typ Ia varje år. Dessa mätningar bör ge tillräckligt med information för att tydligt peka mot antingen upptinings- eller frysscenariot? eller till något helt annat och okänt.
Säger Linder, ”Om resultaten från mätningar som de som kan göras med SNAP ligger utanför tönings- eller frysningsscenarierna, kanske vi måste se över kvintessensen, kanske till ännu mer exotisk fysik, till exempel en modifiering av Einsteins allmänna teori av relativitet för att förklara mörk energi. ”
Originalkälla: Berkeley Lab News Release
