SuperNova / Acceleration Probe, SNAP. Billedkredit: Berkeley Lab Klik for større billede
Hvad er den mystiske mørke energi, der får udvidelsen af universet til at accelerere? Er det en form for Einsteins berømte kosmologiske konstant, eller er det en eksotisk frastødende kraft, kaldet ”kvintessens”, der kan udgøre så meget som tre fjerdedele af kosmos? Forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Dartmouth College mener, at der er en måde at finde ud af.
I en artikel, der skal offentliggøres i Physical Review Letters, viser fysikere Eric Linder fra Berkeley Lab og Robert Caldwell fra Dartmouth, at fysikmodeller med mørk energi kan opdeles i forskellige scenarier, som kunne bruges til at udelukke Einsteins kosmologiske konstant og forklare naturen af mørk energi. Desuden skal forskere være i stand til at bestemme, hvilke af disse scenarier der er rigtige med de eksperimenter, der er planlagt til Joint Dark Energy Mission (JDEM), som er blevet foreslået af NASA og U.S.A.
”Forskere har argumenteret for spørgsmålet‘ hvordan præcist skal vi måle mørk energi for at vide, hvad det er? ”, Siger Linder. ”Det, vi har gjort i vores papir, antyder præcisionsgrænser for målingerne. Heldigvis bør disse grænser ligge inden for rækkevidden af JDEM-eksperimenterne. ”
Linder og Caldwell er begge medlemmer af DOE-NASA videnskabsdefinitionshold for JDEM, der har ansvaret for at udarbejde missionens videnskabelige krav. Linder er leder af teorigruppen for SNAP? SuperNova / Acceleration Probe, et af de foreslåede køretøjer til udførelse af JDEM-missionen. Caldwell, professor i fysik og astronomi i Dartmouth, er en af ophavsmændene til quintessence-konceptet.
I deres artikel i Physical Review Letters beskriver Linder og Caldwell to scenarier, et, de kalder "optøning", og et, de kalder "frysning", som peger mod tydeligt forskellige skæbner for vores permanent ekspanderende univers. Under optøningsscenariet vil accelerationen af udvidelsen gradvist falde og til sidst stoppe som en bil, når føreren letter på gaspedalen. Udvidelsen kan fortsætte langsommere, eller universet kan endda genolievis. Under frysescenariet fortsætter accelerationen på ubestemt tid, ligesom en bil med gaspedalen skubbet til gulvet. Universet ville blive mere og mere diffust, indtil vores galakse til sidst ville finde sig alene i rummet.
Hver af disse to scenarier udelukker Einsteins kosmologiske konstant. I deres papir viser Linder og Caldwell for første gang, hvordan man rent adskiller Einsteins idé fra andre muligheder. Under ethvert scenarie er mørk energi imidlertid en kraft, der skal regnes med.
Siger Linder, ”Fordi mørk energi udgør omkring 70 procent af universets indhold, dominerer den over stofindholdet. Det betyder, at mørk energi vil styre ekspansion og i sidste ende bestemme universets skæbne. ”
I 1998 rystede to forskergrupper kosmologifeltet med deres uafhængige meddelelser om, at universets udvidelse accelererer. Ved at måle rødskiftet af lys fra Type Ia-supernovaer, dybe pladsstjerner, der eksploderer med en karakteristisk energi, bestemte hold fra Supernova Cosmology Project med hovedkvarter ved Berkeley Lab og High-Z Supernova Search Team centreret i Australien, at udvidelsen af universet er faktisk at accelerere, ikke decelerere. Den ukendte kraft bag denne accelererede ekspansion fik navnet "mørk energi."
Før opdagelsen af mørk energi hævdede konventionel videnskabelig visdom, at Big Bang havde resulteret i en udvidelse af universet, som gradvist ville blive bremset af tyngdekraften. Hvis stofindholdet i universet gav tilstrækkelig tyngdekraft, en ekspansion ville en dag stoppe helt, og universet ville falde tilbage på sig selv i en Big Crunch. Hvis tyngdekraften fra materien ikke var tilstrækkelig til fuldstændigt at stoppe udvidelsen, ville universet fortsætte med at flyde fra hinanden for evigt.
”Fra meddelelserne i 1998 og efterfølgende målinger ved vi nu, at den accelererede udvidelse af universet først startede engang i de sidste 10 milliarder år,” siger Caldwell.
Kosmologer er nu i gang med at finde ud af, hvad der præcist er mørk energi. I 1917 ændrede Einstein sin generelle relativitetsteori med en kosmologisk konstant, der, hvis værdien var rigtig, ville give universet mulighed for at eksistere i en perfekt afbalanceret, statisk tilstand. Selvom historiens mest berømte fysiker senere ville kalde tilføjelsen af denne konstante hans "største bommert", har opdagelsen af mørk energi genoplivet ideen.
”Den kosmologiske konstant var en vakuumenergi (energien i det tomme rum), der forhindrede tyngdekraften i at trække universet ind i sig selv,” siger Linder. ”Et problem med den kosmologiske konstant er, at den er konstant, med den samme energitetthed, tryk og ligning af tilstand over tid. Mørk energi måtte dog være ubetydelig i universets tidligste stadier; ellers ville galakserne og alle deres stjerner aldrig have dannet sig. ”
For at Einsteins kosmologiske konstant skal resultere i det univers, vi ser i dag, ville energiskalaen være mange størrelsesordener mindre end noget andet i universet. Selvom dette kan være muligt, siger Linder, synes det ikke sandsynligt. Gå ind i begrebet ”kvintessens”, opkaldt efter det femte element i de gamle grækere, ud over luft, jord, ild og vand; de troede, at det var den styrke, der holdt månen og stjernerne på plads.
"Quintessence er en dynamisk, tidsudviklende og rumligt afhængig form af energi med undertryk, der er tilstrækkelig til at drive den accelererende ekspansion," siger Caldwell. Hvor den kosmologiske konstant er en meget specifik form for energi? vakuum energi? kvintessens omfatter en bred klasse af muligheder. ”
For at begrænse mulighederne for quintessence og give faste mål for grundlæggende prøver, der også ville bekræfte dens kandidatur som kilde til mørk energi, brugte Linder og Caldwell et skalfelt som deres model. Et skalarfelt har et mål på værdien, men ikke retning for alle punkter i rummet. Med denne tilgang kunne forfatterne vise kvintessens som et skalfelt, der slapper af sin potentielle energi ned til en minimumsværdi. Tænk på et sæt fjedre under spænding og udøv et negativt tryk, der modvirker det positive tyngdekrafttryk.
"Et kvintessens skalar felt er som et felt med fjedre, der dækker hvert punkt i rummet, med hver fjeder strækket til en anden længde," sagde Linder. "For Einsteins kosmologiske konstant ville hver forår være den samme længde og bevægelsesfri."
Under deres optøningsscenario blev den potentielle energi i quintessence-feltet "frosset" på plads, indtil den faldende materialetæthed i et ekspanderende univers gradvist frigav det. I frysescenariet har quintessence-feltet rullet mod sit minimumspotentiale, siden universet gennemgik inflation, men når det kommer til at dominere universet, bliver det gradvist en konstant værdi.
SNAP-forslaget er i forskning og udvikling af fysikere, astronomer og ingeniører ved Berkeley Lab i samarbejde med kolleger fra University of California i Berkeley og mange andre institutioner; det kræver et tre-spejl, 2 meter reflekterende teleskop i dybe rumskredsløb, der ville blive brugt til at finde og måle tusinder af Type Ia-supernovaer hvert år. Disse målinger skulle give tilstrækkelig information til klart at pege mod enten optønings- eller frysescenariet? eller til noget helt andet og ukendt.
Linder siger: ”Hvis resultaterne fra målinger som dem, der kunne foretages med SNAP, ligger uden for optøning eller frysningsscenarier, er vi måske nødt til at se ud over kvintessensen, måske til endnu mere eksotisk fysik, såsom en ændring af Einsteins generelle teori af relativitet for at forklare mørk energi. ”
Original kilde: Berkeley Lab nyhedsudgivelse
