Зонд SuperNova / Acceleration, SNAP. Кредит зображення: Лабораторія Берклі Клацніть для збільшення
Яка таємнича темна енергія, яка спричиняє пришвидшення розширення Всесвіту? Це якась форма знаменитої космологічної константи Ейнштейна, чи це екзотична відштовхуюча сила, що отримала назву "квінтесенція", яка може становити аж три чверті космосу? Вчені з Національної лабораторії Лоуренса Берклі (Berkeley Lab) та Дартмутського коледжу вважають, що є спосіб це з'ясувати.
У статті, що публікується в «Фізичному оглядовому листі», фізики Ерік Ліндер з «Берклі Лабораторії» та Роберт Колдвелл з Дартмута показують, що фізичні моделі темної енергії можна розділити на різні сценарії, які можна використовувати для виключення космологічної константи Ейнштейна та пояснення природи темної енергії. Більше того, вчені повинні мати можливість визначити, який із цих сценаріїв є правильним, коли експерименти плануються для Спільної місії з темної енергії (JDEM), запропонованої НАСА та Міністерством енергетики США.
«Вчені сперечаються з питанням: як саме нам потрібно вимірювати темну енергію, щоб знати, що це таке?», - каже Ліндер. «Те, що ми зробили в нашій роботі, - це запропонувати обмеження точності вимірювань. На щастя, ці межі повинні бути в межах експериментів JDEM ».
Ліндер і Колдвелл є членами команди наукових дефініцій DOE-NASA для JDEM, яка несе відповідальність за розробку наукових вимог місії. Ліндер є лідером теоретичної групи SNAP? зонд SuperNova / Acceleration, один із запропонованих засобів для виконання місії JDEM. Колдвелл, професор фізики та астрономії в Дартмуті, є одним із джерел концепції квінтесенції.
У своїх роботах у «Фізичному огляді» Листи Ліндера та Колдвелл описують два сценарії, один вони називають «танення», а другий - «замерзання», які вказують на чітко різні долі нашого постійно зростаючого Всесвіту. За сценарієм відтавання прискорення розширення поступово зменшиться і, врешті-решт, зупиниться, як автомобіль, коли водій полегшить на педаль газу. Розширення може продовжуватися повільніше, або Всесвіт може навіть згадати. За сценарієм заморожування прискорення триває нескінченно, як машина з педаллю газу, натиснутою на підлогу. Всесвіт стає все більш розсіяним, поки з часом наша галактика не опиниться одна в космосі.
Жоден із цих двох сценаріїв не виключає космологічну константу Ейнштейна. У своїй роботі "Ліндер та Колдвелл" вперше показують, як чисто відокремити ідею Ейнштейна від інших можливостей. Однак за будь-якого сценарію темна енергія - це сила, з якою треба враховувати.
Каже Ліндер, «Оскільки темна енергія складає близько 70 відсотків вмісту Всесвіту, вона домінує над вмістом речовини. Це означає, що темна енергія керуватиме розширенням і, зрештою, визначатиме долю Всесвіту ».
У 1998 році дві дослідницькі групи розгорнули поле космології з їх незалежними повідомленнями про те, що розширення Всесвіту прискорюється. Виміряючи червоне зміщення світла від наднових типу Іа, зірок глибокого космосу, які вибухають характерною енергією, команди з космологічного проекту «Супернова» зі штаб-квартирою в лабораторії Берклі та пошуковою командою High-Z Supernova, зосередженою в Австралії, визначили, що розширення Всесвіту насправді прискорюється, а не уповільнюється. Невідома сила цього прискореного розширення отримала назву "темна енергія".
До відкриття темної енергії звичайна наукова мудрість вважала, що Великий вибух призвів до розширення Всесвіту, яке поступово буде гальмуватися гравітацією. Якби вміст речовини у Всесвіті забезпечив достатню вагу, одного дня розширення припиниться взагалі, і Всесвіт відкинеться на себе великим крихом. Якщо сили тяжіння від матерії було недостатньо для повного припинення розширення, Всесвіт продовжував би розпливатися назавжди.
"З анонсів у 1998 р. Та подальших вимірювань ми тепер знаємо, що прискорене розширення Всесвіту розпочалося лише десь за останні 10 мільярдів років", - говорить Колдвелл.
Зараз космологи намагаються визначити, що таке саме темна енергія. У 1917 році Ейнштейн змінив свою Загальну теорію відносності космологічною постійною, яка, якщо значення було правильним, дозволило б Всесвіту існувати у ідеально збалансованому статичному стані. Хоча найвідоміший фізик історії пізніше назвав додавання цієї константи своєю «найбільшою помилкою», відкриття темної енергії відновило цю ідею.
"Космологічна константа являла собою енергію вакууму (енергію порожнього простору), яка стримувала силу тяжіння від того, щоб тягнути Всесвіт у себе", - каже Ліндер. “Проблема з космологічною постійною полягає в тому, що вона постійна, однакова щільність енергії, тиск та рівняння стану у часі. Однак темна енергія повинна була бути незначною на ранніх стадіях Всесвіту; інакше галактики та всі їхні зірки ніколи б не сформувалися ».
Щоб космологічна константа Ейнштейна стала результатом Всесвіту, який ми бачимо сьогодні, енергетичний масштаб повинен був би бути на багато порядків меншим, ніж будь-що інше у Всесвіті. Хоча це може бути можливим, каже Ліндер, це не здається ймовірним. Введіть поняття «квінтесенція», назване на честь п’ятого елемента стародавніх греків, крім повітря, землі, вогню та води; вони вважали, що це сила, яка тримає Місяць і зірки на місці.
«Квінтесенція - це динамічна, що змінюється в часі, і просторово залежна форма енергії з негативним тиском, достатнім для рушійного прискорення розширення», - говорить Колдвелл. “Тоді як космологічна константа є дуже специфічною формою енергії? енергія вакууму? квінтесенція охоплює широкий клас можливостей ».
Щоб обмежити можливості для квінтесенції та забезпечити тверді цілі для основних тестів, які також підтвердили б його кандидатуру як джерело темної енергії, Ліндер та Колдвелл використали скалярне поле в якості своєї моделі. Скалярне поле має міру значення, але не напрямок для всіх точок у просторі. При такому підході авторам вдалося показати квінтесенцію як скалярне поле, послаблюючи свою потенційну енергію до мінімальної величини. Подумайте про набір пружин під напругою і чинять негативний тиск, який протидіє позитивному тиску сили тяжіння.
"Скалярне поле квінтесенції - як поле пружин, що охоплюють кожну точку простору, при цьому кожна пружина розтягується на різну довжину", - сказав Ліндер. "Для космологічної константи Ейнштейна кожна весна була б однаковою і нерухомою".
За їх сценарієм відтавання потенційна енергія поля квінтесенції була «заморожена» на місці, поки зменшувальна щільність матеріалу розширюється всесвіту поступово не звільняла його. У сценарії замерзання поле квінтесенції котиться до свого мінімального потенціалу, оскільки всесвіт зазнала інфляцію, але, коли вона домінує над Всесвітом, вона поступово стає постійною величиною.
Пропозиція SNAP полягає у дослідженні та розробці фізиками, астрономами та інженерами в лабораторії Берклі, у співпраці з колегами з Каліфорнійського університету в Берклі та багатьох інших установ; він вимагає створення тризеркального 2-метрового телескопа, що відбиває на орбіті глибокого космосу, який би використовувався для пошуку та вимірювання тисяч наднових типів Ia щороку. Ці вимірювання повинні надати достатньо інформації, щоб чітко вказувати на сценарій відтавання чи замерзання? або до чогось зовсім нового і невідомого.
Каже Ліндер, "Якщо результати таких вимірювань, як ті, які можна зробити за допомогою SNAP, лежать поза сценаріями відтавання або замерзання, то нам, можливо, доведеться вийти за рамки квінтесенції, можливо, навіть до більш екзотичної фізики, наприклад модифікації загальної теорії Ейнштейна. відносності для пояснення темної енергії ».
Оригінальне джерело: Новини лабораторії Берклі
