Сондата SuperNova / Acceleration, SNAP. Кредит за изображение: Berkeley Lab Кликнете за увеличение
Каква е тайнствената тъмна енергия, която причинява разширяването на Вселената да се ускори? Дали това е някаква форма на известната космологична константа на Айнщайн или е екзотична отблъскваща сила, наречена "квинтесенция", която може да съставлява цели три четвърти от Космоса? Учените от Националната лаборатория на Лорънс Беркли (Berkeley Lab) и Дартмутския колеж смятат, че има начин да разберете.
В статия, която ще бъде публикувана в Physical Review Letters, физиците Ерик Линдер от Беркли Лаборатория и Робърт Колдуел от Дартмут показват, че физическите модели на тъмната енергия могат да бъдат разделени на различни сценарии, които биха могли да бъдат използвани за изключване на космологичната константа на Айнщайн и обясняване на природата на тъмна енергия. Нещо повече, учените трябва да могат да определят кой от тези сценарии е правилен, като експериментите са планирани за съвместната мисия за тъмна енергия (JDEM), предложена от НАСА и американското министерство на енергетиката.
„Учените спорят с въпроса„ колко точно е необходимо да измерваме тъмната енергия, за да знаем какво е? “, Казва Линдер. „Това, което направихме в нашия документ, е да предложим граници на точност за измерванията. За щастие тези граници трябва да са в рамките на експериментите с JDEM. "
Линдър и Колдуел са и двамата членове на екипа за научни дефиниции DOE-NASA за JDEM, който отговаря за изготвянето на научните изисквания на мисията. Линдер лидер на теоретичната група за SNAP? сондата SuperNova / Acceleration, едно от предложените превозни средства за изпълнение на мисията JDEM. Колдуел, професор по физика и астрономия в Дартмут, е един от инициаторите на концепцията за квинтесенция.
В своя документ във „Физически преглед” писма Линдер и Колдуел описват два сценария, един от които наричат „размразяване”, а друг - „замръзване”, които насочват към ясно различни съдби за нашата постоянно разширяваща се вселена. При сценария на размразяване ускорението на разширяването постепенно ще намалее и в крайна сметка ще спре, като кола, когато водачът се отпусне на педала за газ. Разширяването може да продължи по-бавно или Вселената дори може да се припомни. При сценария на замръзване ускорението продължава за неопределено време, като кола с педала на газта, бутнат на пода. Вселената ще става все по-дифузна, докато в крайна сметка нашата галактика не се озове сама в космоса.
И един от тези два сценария изключва космологичната константа на Айнщайн. В своето изложение „Линдер“ и „Колдуел“ за първи път как да разделяме чисто идеята на Айнщайн от други възможности. При всеки сценарий обаче тъмната енергия е сила, с която трябва да се вземе предвид.
Казва Линдер, „Тъй като тъмната енергия представлява около 70 процента от съдържанието на Вселената, тя доминира над съдържанието на материята. Това означава, че тъмната енергия ще управлява разширяването и в крайна сметка ще определи съдбата на Вселената. "
През 1998 г. две изследователски групи разтърсиха полето на космологията с независимите си съобщения, че разширяването на Вселената се ускорява. Чрез измерване на червеното изместване на светлината от свръхновите тип Ia, звезди от дълбок космос, които избухват с характерна енергия, екипи от космологичния проект „Супернова“ със седалище в лаборатория „Бъркли“ и екипът за търсене на High-Z Supernova с център в Австралия определиха, че разширяването на Вселената всъщност се ускорява, а не се забавя. Неизвестната сила зад това ускорено разширение получи името „тъмна енергия“.
Преди откриването на тъмната енергия конвенционалната научна мъдрост смяташе, че Големият взрив е довел до разширяване на Вселената, което постепенно ще бъде забавено от гравитацията. Ако съдържанието на материята във Вселената предостави достатъчно гравитация, един ден разширяването щеше да спре напълно и Вселената отново ще падне върху себе си в Голяма криза. Ако гравитацията от материята не беше достатъчна, за да спре напълно разширяването, Вселената ще продължи да се разнася завинаги.
„От съобщенията през 1998 г. и последващите измервания, сега знаем, че ускореното разширяване на Вселената е започнало чак през последните 10 милиарда години“, казва Колдуел.
Козмолозите сега се надпреварват, за да определят каква точно е тъмната енергия. През 1917 г. Айнщайн изменя своята Обща теория на относителността с космологична константа, която, ако стойността е правилна, ще позволи на Вселената да съществува в напълно балансирано, статично състояние. Въпреки че най-известният физик в историята по-късно ще нарече добавянето на тази константа негова „най-голяма грешка“, откриването на тъмната енергия възроди идеята.
„Космологичната константа беше вакуумна енергия (енергията на празното пространство), която задържаше гравитацията да дърпа Вселената върху себе си“, казва Линдер. „Проблем с космологичната константа е, че тя е постоянна, със същата енергийна плътност, налягане и уравнение на състоянието във времето. Тъмната енергия обаче трябваше да бъде незначителна в най-ранните етапи на Вселената; в противен случай галактиките и всичките им звезди никога не биха се образували. "
За да може космологичната константа на Айнщайн да достигне до Вселената, която виждаме днес, енергийният мащаб би трябвало да е с много порядки по-малки от всичко останало във Вселената. Въпреки че това може да е възможно, казва Линдер, това не изглежда вероятно. Въведете концепцията за "квинтесенция", наречена на петия елемент на древните гърци, в допълнение към въздуха, земята, огъня и водата; те вярваха, че това е силата, която държи луната и звездите на място.
„Quintessence е динамична, променяща се във времето и пространствено зависима форма на енергия с отрицателно налягане, достатъчна за задвижване на ускоряващото се разширяване“, казва Колдуел. „Докато космологичната константа е много специфична форма на енергия? вакуумна енергия? квинтесенцията обхваща широк клас от възможности. “
За да ограничат възможностите за квинтесенция и да осигурят твърди цели за основни тестове, които също биха потвърдили кандидатурата му като източник на тъмна енергия, Линдър и Колдуел използваха скаларно поле като свой модел. Скаларното поле притежава мярка за стойност, но не и посока за всички точки в пространството. С този подход авторите успяха да покажат квинтесенцията като скаларно поле, отпускащо потенциалната си енергия до минимална стойност. Помислете за комплект пружини под напрежение и упражняване на отрицателно налягане, което противодейства на положителното налягане на гравитацията.
„Скаларното поле в квинтесенцията е като поле от пружини, покриващи всяка точка в пространството, като всяка пружина е опъната на различна дължина“, каза Линдер. „За космологичната константа на Айнщайн всяка пролет би била еднаква и неподвижна.“
Съгласно техния сценарий на размразяване, потенциалната енергия на полето на квинтесенцията е била „замразена“ на място, докато намаляващата плътност на материала на разширяващата се вселена постепенно не я освобождава. В сценария на замразяване, полето на квинтесенцията се насочва към своя минимален потенциал, тъй като Вселената претърпя инфлация, но тъй като доминира над Вселената, тя постепенно се превръща в постоянна стойност.
Предложението на SNAP е в научни изследвания и разработки от физици, астрономи и инженери от Berkeley Lab, в сътрудничество с колеги от Калифорнийския университет в Беркли и много други институции; призовава за триогледален 2-метров отразяващ телескоп в орбита на дълбок космос, който да се използва за намиране и измерване на хиляди от свръхнове от тип Ia всяка година. Тези измервания трябва да предоставят достатъчно информация за ясно насочване към сценария на размразяване или замръзване? или към нещо съвсем съвсем ново и непознато.
Казва Линдер: „Ако резултатите от измервания като тези, които биха могли да бъдат направени с SNAP, лежат извън сценариите на размразяване или замръзване, тогава може да се наложи да надхвърлим квинтесенцията, може би към още по-екзотичната физика, като модификация на общата теория на Айнщайн на относителността, за да обясни тъмната енергия. "
Оригинален източник: Бъркли Новинки
