SuperNova / Датчик ускорения, SNAP. Изображение предоставлено Berkeley Lab. Увеличить
Что за таинственная темная энергия ускоряет расширение вселенной? Является ли это какой-то формой знаменитой космологической постоянной Эйнштейна или это экзотическая сила отталкивания, называемая «квинтэссенцией», которая может составлять до трех четвертей космоса? Ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Дартмутского колледжа считают, что есть способ узнать.
В статье, которая будет опубликована в журнале Physical Review Letters, физики Эрик Линдер из лаборатории Беркли и Роберт Колдуэлл из Дартмута показывают, что физические модели темной энергии можно разделить на отдельные сценарии, которые можно использовать для исключения космологической постоянной Эйнштейна и объяснения природы темной энергии. Более того, ученые должны быть в состоянии определить, какой из этих сценариев является правильным с экспериментами, запланированными для Совместной миссии по темной энергии (JDEM), которая была предложена НАСА и Министерством энергетики США.
«Ученые обсуждают вопрос:« Как точно мы должны измерять темную энергию, чтобы знать, что это такое? », - говорит Линдер. «То, что мы сделали в нашей статье, - это установление пределов точности измерений. К счастью, эти пределы должны быть в пределах диапазона экспериментов JDEM ».
Линдер и Колдуэлл являются членами научно-исследовательской группы DOE-NASA для JDEM, которая отвечает за разработку научных требований миссии. Линдер является лидером группы по теории SNAP? SuperNova / Acceleration Probe, один из предлагаемых транспортных средств для выполнения миссии JDEM. Колдуэлл, профессор физики и астрономии в Дартмуте, является одним из создателей концепции квинтэссенции.
В своей статье в Physical Review Letters Линдер и Колдуэлл описывают два сценария, один из которых они называют «оттаиванием», а другой - «замораживанием», которые указывают на совершенно разные судьбы нашей постоянно расширяющейся вселенной. В сценарии оттаивания ускорение расширения будет постепенно уменьшаться и в конечном итоге остановится, как автомобиль, когда водитель расслабится на педали газа. Расширение может продолжаться медленнее, или вселенная может даже вспыхнуть. По сценарию замораживания ускорение продолжается до бесконечности, как в машине с педалью газа, толкаемой к полу. Вселенная будет становиться все более размытой, пока в конечном итоге наша галактика не окажется в космосе одна.
Любой из этих двух сценариев исключает космологическую константу Эйнштейна. В своей статье Линдер и Колдуэлл впервые показывают, как четко отделить идею Эйнштейна от других возможностей. Однако при любом сценарии темная энергия - это сила, с которой нужно считаться.
Линдер говорит: «Поскольку темная энергия составляет около 70 процентов содержимого вселенной, она доминирует над содержанием материи. Это означает, что темная энергия будет управлять расширением и, в конечном счете, определять судьбу вселенной ».
В 1998 году две исследовательские группы поразили область космологии своими независимыми заявлениями о том, что расширение Вселенной ускоряется. Измеряя красное смещение света от сверхновых типа Ia, звезд дальнего космоса, которые взрываются с характерной энергией, команды из Космологического проекта сверхновой, штаб-квартира которого расположена в лаборатории Беркли, и исследовательской группы сверхновых Z-High, расположенной в Австралии, определили, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется, а не замедляется. Неизвестная сила этого ускоренного расширения получила название «темная энергия».
До открытия темной энергии общепринятая научная мудрость гласила, что Большой Взрыв привел к расширению Вселенной, которая будет постепенно замедляться гравитацией. Если бы содержание материи во вселенной обеспечивало достаточную гравитацию, однажды расширение полностью прекратилось бы, и вселенная вернулась бы в Большой Хруст. Если гравитации от вещества было недостаточно, чтобы полностью остановить расширение, вселенная продолжала бы разваливаться навсегда.
«Из объявлений 1998 года и последующих измерений мы теперь знаем, что ускоренное расширение Вселенной началось лишь в последние 10 миллиардов лет», - говорит Колдуэлл.
Космологи сейчас пытаются понять, что же такое темная энергия. В 1917 году Эйнштейн внес поправки в свою Общую теорию относительности с помощью космологической постоянной, которая, если бы ценность была правильной, позволила бы Вселенной существовать в идеально сбалансированном, статичном состоянии. Хотя впоследствии самый известный физик в истории назвал бы добавление этой константы своей «величайшей ошибкой», открытие темной энергии возродило эту идею.
«Космологическая постоянная была вакуумной энергией (энергией пустого пространства), которая препятствовала гравитации притягивать вселенную к себе», - говорит Линдер. «Проблема с космологической постоянной состоит в том, что она постоянна с той же плотностью энергии, давлением и уравнением состояния во времени. Темная энергия, однако, должна была быть незначительной на самых ранних стадиях вселенной; иначе галактики и все их звезды никогда бы не сформировались ».
Для того, чтобы космологическая постоянная Эйнштейна привела к созданию вселенной, которую мы видим сегодня, масштаб энергии должен быть на много порядков меньше, чем что-либо еще во вселенной. Хотя это возможно, говорит Линдер, это маловероятно. Введите понятие «квинтэссенция», названное в честь пятого элемента древних греков, помимо воздуха, земли, огня и воды; они верили, что это сила, которая удерживала луну и звезды на месте.
«Квинтэссенция - это динамическая, изменяющаяся во времени и пространственно зависимая форма энергии с отрицательным давлением, достаточным для ускорения расширения», - говорит Колдуэлл. «В то время как космологическая постоянная является очень специфической формой энергии? энергия вакуума? Квинтэссенция охватывает широкий класс возможностей ».
Чтобы ограничить возможности квинтэссенции и обеспечить четкие цели для базовых тестов, которые также подтвердили бы ее кандидатуру в качестве источника темной энергии, Линдер и Колдуэлл использовали в качестве модели скалярное поле. Скалярное поле обладает мерой значения, но не направлением для всех точек в пространстве. При таком подходе авторы смогли показать квинтэссенцию как скалярное поле, ослабившее его потенциальную энергию до минимального значения. Подумайте о наборе пружин, находящихся под напряжением и оказывающих отрицательное давление, которое противодействует положительному давлению гравитации.
«Скалярное поле квинтэссенции похоже на поле пружин, охватывающих каждую точку в пространстве, причем каждая пружина растягивается на разную длину», - сказал Линдер. «Для космологической постоянной Эйнштейна каждая пружина будет одинаковой длины и неподвижной».
Согласно их сценарию оттаивания, потенциальная энергия поля квинтэссенции была «заморожена» на месте до тех пор, пока уменьшающаяся плотность материала расширяющейся вселенной не высвободила ее. В сценарии замораживания поле квинтэссенции катится к своему минимальному потенциалу с тех пор, как вселенная подверглась инфляции, но когда она начинает доминировать во вселенной, она постепенно становится постоянной величиной.
Предложение SNAP разрабатывается физиками, астрономами и инженерами в лаборатории Беркли в сотрудничестве с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли и многих других учреждений; он требует трехзеркального, 2-метрового отражающего телескопа на орбите дальнего космоса, который будет использоваться для поиска и измерения тысяч сверхновых типа Ia каждый год. Эти измерения должны предоставить достаточно информации, чтобы четко указать на сценарий оттаивания или замораживания? или к чему-то совершенно новому и неизвестному.
Линдер говорит: «Если результаты измерений, таких как те, которые могут быть сделаны с помощью SNAP, лежат вне сценариев оттаивания или замораживания, то нам, возможно, придется смотреть за пределы квинтэссенции, возможно, даже на более экзотическую физику, такую как модификация Общей теории Эйнштейна Относительности, чтобы объяснить темную энергию.
Первоначальный источник: пресс-релиз Berkeley Lab
