בדיקת SuperNova / Acceleration, SNAP. קרדיט תמונה: מעבדת ברקלי לחץ לצורך הגדלה
מהי האנרגיה האפלה המסתורית הגורמת להאצת התפשטות היקום? האם מדובר באיזושהי צורה של הקבוע הקוסמולוגי המפורסם של איינשטיין, או שמא מדובר בכוח דוחה אקזוטי, המכונה "שמיעה", שיכול להכיל עד שלושת רבעים מהקוסמוס? מדענים מהמעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) ומכללת דארטמות 'מאמינים שיש דרך לגלות זאת.
במאמר שיפורסם במכתבי Physical Review, הפיזיקאים אריק לינדר ממעבדת ברקלי ורוברט קלדוול מדרטמות 'מראים כי ניתן להפריד בין דגמי פיזיקה של אנרגיה אפלה לתרחישים מובחנים, שניתן להשתמש בהם כדי לשלול את הקבוע הקוסמולוגי של איינשטיין ולהסביר את הטבע של אנרגיה אפלה. יתר על כן, מדענים צריכים להיות מסוגלים לקבוע אילו מהתרחישים הללו נכונים עם הניסויים המתוכננים למשימת האנרגיה האפלה המשותפת (JDEM) שהוצע על ידי נאס"א ומחלקת האנרגיה האמריקנית.
"מדענים טענו את השאלה 'כיצד בדיוק אנו צריכים למדוד אנרגיה אפלה כדי לדעת מה היא?'" אומר לינדר. "מה שעשינו במאמר שלנו הוא להציע גבולות דיוק למדידות. למרבה המזל גבולות אלה צריכים להיות בטווח הניסויים של JDEM. "
לינדר וקלדוול שניהם חברים בצוות ההגדרה המדעי של DOE-NASA עבור JDEM, האחראי על עריכת הדרישות המדעיות של המשימה. לינדר הוא המנהיג של קבוצת התיאוריה של SNAP? בדיקת הסופר-נובה / האצה, אחד הרכבים המוצעים לביצוע משימת JDEM. קלדוול, פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה בדרטמות ', הוא אחד ממקורבי תפיסת המוות.
במאמרם בכתב העת Physical Review Letters ו- Caldwell מתארים שני תרחישים, האחד שהם מכנים "הפשרה" ואחד שהם מכנים "הקפאה", המצביעים לעבר גורלות שונים ומובהקים עבור היקום המתרחב לצמיתות שלנו. תחת התרחיש המפשיר, האצת ההתרחבות תקטן בהדרגה ובסופו של דבר תיפסק, כמו מכונית כאשר הנהג יקל על דוושת הדלק. ההתרחבות עשויה להימשך לאט יותר, או שהיקום עשוי אף להתמוטט מחדש. תחת התרחיש הקפוא, ההאצה נמשכת ללא הגבלת זמן, כמו מכונית שדוושת הדלק נדחפת לרצפה. היקום יתפזר יותר ויותר, עד שבסופו של דבר הגלקסיה שלנו תמצא את עצמה לבדה בחלל.
אחד משני התרחישים הללו פוסל את הקבוע הקוסמולוגי של איינשטיין. במאמרם של לינדר וקלדוול מופיעים לראשונה כיצד להפריד באופן נקי בין הרעיון של איינשטיין לבין אפשרויות אחרות. עם זאת, בכל תרחיש, אנרגיה אפלה היא כוח שיש לקחת בחשבון.
אומר לינדר, "מכיוון שאנרגיה אפלה מהווה כ -70 אחוז מתוכן היקום, היא חולשת על תוכן החומר. המשמעות היא שאנרגיה אפלה תשלוט בהתפשטות ובסופו של דבר תקבע את גורל היקום. "
בשנת 1998, שתי קבוצות מחקר הנדנדו את תחום הקוסמולוגיה בהודעותיהן הבלתי תלויות על התפשטות היקום. על ידי מדידת משמרת האור האדומה מסופרנובות מסוג Ia, כוכבים בחלל העמוק המתפוצצים באנרגיה אופיינית, צוותים של פרויקט Supernova Cosmology שמפקדה במעבדת ברקלי וצוות החיפוש High-Z Supernova במרכזו באוסטרליה קבעו כי התרחבות היקום למעשה מאיץ, לא מאט. הכוח הלא ידוע מאחורי ההתרחבות המואצת הזו קיבל את השם "אנרגיה אפלה".
לפני גילוי האנרגיה האפלה, החוכמה המדעית המקובלת טענה כי המפץ הגדול הביא להתפשטות היקום שתאט בהדרגה על ידי כוח הכובד. אם תוכן החומר ביקום יספק מספיק כוח משיכה, יום אחד ההתפשטות הייתה נפסקת לחלוטין והיקום היה נופל על עצמו בפיצוץ גדול. אם כוח המשיכה מהחומר לא היה מספיק בכדי לעצור לחלוטין את ההתפשטות, היקום היה ממשיך לצוף זה מזה לנצח.
"מההודעות בשנת 1998 ומדידות שלאחר מכן, אנו יודעים כעת כי ההתפשטות המואצת של היקום לא החלה רק מתישהו בעשרה מיליארד השנים האחרונות," אומר קלדוול.
הקוסמולוגים מתערבלים כעת כדי לקבוע מהי בדיוק האנרגיה האפלה. בשנת 1917 תיקן איינשטיין את תורת היחסות הכללית שלו בקבוע קוסמולוגי, שאם הערך היה נכון, יאפשר ליקום להתקיים במצב סטטי מאוזן לחלוטין. אף על פי שהפיזיקאי המפורסם ביותר בהיסטוריה מכנה מאוחר יותר את תוספת קבוע זה "החסר הגדול ביותר", גילוי האנרגיה האפלה החיה את הרעיון.
"הקבוע הקוסמולוגי היה אנרגיית ואקום (האנרגיה של החלל הריק) ששמרה על כוח הכבידה למשוך את היקום לעצמו", אומר לינדר. "הבעיה עם הקבוע הקוסמולוגי היא שהיא קבועה, עם צפיפות אנרגיה זהה, לחץ ומשוואת מצב לאורך זמן. עם זאת, אנרגיה אפלה הייתה חייבת להיות זניחה בשלבים הראשונים של היקום; אחרת הגלקסיות וכל הכוכבות שלהן לעולם לא היו מתגבשות. "
כדי שהקבוע הקוסמולוגי של איינשטיין יביא ליקום שאנו רואים כיום, סולם האנרגיה יצטרך להיות סדרי גודל רבים קטנים יותר מכל דבר אחר ביקום. למרות שזה יכול להיות אפשרי, אומר לינדר, זה לא נראה סביר. היכנסו למושג "המוות", הקרוי על שם היסוד החמישי של היוונים הקדמונים, בנוסף לאוויר, אדמה, אש ומים; הם האמינו שזה הכוח שהחזיק את הירח והכוכבים במקום.
"התמותה היא צורת אנרגיה דינאמית, מתפתחת בזמן ותלויה במרחב עם לחץ שלילי המספיק בכדי להניע את ההתפשטות המואצת", אומר קלדוול. ואילו הקבוע הקוסמולוגי הוא צורה מאוד אנרגטית? אנרגיית ואקום? הפריצה מקיפה מעמד רחב של אפשרויות. "
כדי להגביל את האפשרויות למצב של התגברות ולספק יעדים איתנים למבחנים בסיסיים שיאשרו גם את מועמדותה כמקור לאנרגיה אפלה, לינדר וקאלדוול השתמשו בשדה סקלרי כמודל שלהם. שדה סקלרי הוא בעל מידה של ערך אך לא כיוון לכל הנקודות במרחב. בגישה זו, המחברים הצליחו להפגין שמות כשדה סקלרי שמרגיע את האנרגיה הפוטנציאלית שלו לערך מינימלי. חשבו על מערכת קפיצים הנמצאת תחת מתח והפעלת לחץ שלילי העומד נגד לחץ הכובד החיובי.
"שדה סקלרי מובהק הוא כמו שדה קפיצים המכסה כל נקודה בחלל, כשכל קפיץ נמתח באורך שונה," אמר לינדר. "בקבוע הקוסמולוגי של איינשטיין, כל קפיץ יהיה באורך זהה וחסר תנועה."
תחת תרחיש ההפשרה שלהם, האנרגיה הפוטנציאלית של שדה המוות "הוקפאה" במקום עד שצפיפות החומר הירידה של יקום מתפשט שיחררה אותו בהדרגה. בתרחיש הקפוא, תחום המוות מתגלגל לעבר הפוטנציאל המינימלי שלו מאז שעבר היקום אינפלציה, אך כאשר הוא שולט ביקום הוא הופך בהדרגה לערך קבוע.
הצעת ה- SNAP נמצאת במחקר ופיתוח של פיזיקאים, אסטרונומים ומהנדסים במעבדת ברקלי, בשיתוף עם עמיתים מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי ומוסדות רבים אחרים; זה דורש טלסקופ המשקף בן 3 מראות, בגודל 2 מטר, במסלול בחלל העמוק, שישמש לאיתור ומדידת אלפי סופרנובות מסוג Ia בכל שנה. מדידות אלה צריכות לספק מספיק מידע כדי להצביע בבירור לעבר תרחיש ההפשרה או ההקפאה? או למשהו אחר לגמרי ולא ידוע.
אומר לינדר, "אם התוצאות של מדידות כמו אלה שניתן היה לבצע עם SNAP נמצאות מחוץ לתרחישים המפשירים או הקפואים, ייתכן שנצטרך להסתכל מעבר למצב של שמיעה, אולי לפיזיקה אקזוטית עוד יותר, כמו שינוי התיאוריה הכללית של איינשטיין. של יחסיות כדי להסביר אנרגיה אפלה. "
המקור המקורי: פרסום חדשות המעבדה של ברקלי
