Probe SuperNova / Percepatan, SNAP. Kredit gambar: Berkeley Lab Klik untuk membesarkan
Apakah tenaga gelap misterius yang menyebabkan pengembangan alam semesta menjadi lebih pantas? Adakah itu bentuk pemalar kosmologi Einstein yang terkenal, atau adakah daya tolak eksotik, yang digelar "quintessence," yang dapat membentuk sebanyak tiga perempat dari kosmos? Para saintis dari Makmal Nasional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) dan Dartmouth College percaya bahawa ada kaedah untuk mengetahui.
Dalam makalah yang akan diterbitkan dalam Physical Review Letters, ahli fizik Eric Linder dari Berkeley Lab dan Robert Caldwell dari Dartmouth menunjukkan bahawa model fizik tenaga gelap dapat dipisahkan menjadi senario yang berbeza, yang dapat digunakan untuk mengesampingkan pemalar kosmologi Einstein dan menjelaskan sifatnya tenaga gelap. Lebih-lebih lagi, saintis harus dapat menentukan senario mana yang betul dengan eksperimen yang dirancang untuk Misi Tenaga Gelap Bersama (JDEM) yang telah dicadangkan oleh NASA dan Jabatan Tenaga A.S.
"Para saintis telah memperdebatkan pertanyaan" seberapa tepat kita perlu mengukur tenaga gelap untuk mengetahui apa itu? "" Kata Linder. "Apa yang telah kami lakukan dalam makalah kami adalah menunjukkan had ketepatan untuk pengukuran. Nasib baik, had ini mesti berada dalam jangkauan eksperimen JDEM. "
Linder dan Caldwell kedua-duanya adalah anggota pasukan definisi sains DOE-NASA untuk JDEM, yang mempunyai tanggungjawab untuk menyusun keperluan saintifik misi. Linder adalah ketua kumpulan teori untuk SNAP? SuperNova / Preleration Probe, salah satu kenderaan yang dicadangkan untuk menjalankan misi JDEM. Caldwell, seorang profesor fizik dan astronomi di Dartmouth, adalah salah satu pencetus konsep quintessence.
Dalam makalah mereka di Physical Review Letters Linder dan Caldwell menjelaskan dua senario, satu yang mereka sebut "pencairan" dan satu yang mereka sebut "pembekuan", yang menunjukkan arah nasib yang berbeza untuk alam semesta kita yang terus berkembang. Di bawah senario pencairan, percepatan pengembangan secara beransur-ansur akan berkurang dan akhirnya berhenti, seperti sebuah kereta ketika pemandu mereda pedal gas. Pengembangan mungkin berlanjutan dengan lebih perlahan, atau alam semesta bahkan boleh kembali. Di bawah senario pembekuan, pecutan berterusan selama-lamanya, seperti sebuah kereta dengan pedal gas ditolak ke lantai. Alam semesta akan menjadi semakin meresap, sehingga akhirnya galaksi kita akan berada sendirian di angkasa.
Kedua-dua senario ini mengesampingkan pemalar kosmologi Einstein. Dalam makalah mereka Linder dan Caldwell menunjukkan, untuk pertama kalinya, bagaimana memisahkan idea Einstein dengan bersih dari kemungkinan lain. Walau bagaimanapun, dalam senario apa pun, tenaga gelap adalah kekuatan yang mesti diperhitungkan.
Kata Linder, "Kerana tenaga gelap membentuk sekitar 70 peratus kandungan alam semesta, ia menguasai kandungan jirim. Itu bermaksud tenaga gelap akan mengatur pengembangan dan, akhirnya, menentukan nasib alam semesta. "
Pada tahun 1998, dua kumpulan penyelidikan menggegarkan bidang kosmologi dengan pengumuman bebas mereka bahawa pengembangan alam semesta semakin cepat. Dengan mengukur peralihan cahaya dari supernova Type Ia, bintang-bintang ruang dalam yang meletup dengan tenaga khas, pasukan dari Projek Kosmologi Supernova yang beribu pejabat di Berkeley Lab dan High-Z Supernova Search Team yang berpusat di Australia menentukan bahawa pengembangan alam semesta sebenarnya memecut, bukan melambatkan. Kekuatan yang tidak diketahui di sebalik pengembangan dipercepat ini diberi nama "tenaga gelap."
Sebelum penemuan tenaga gelap, kebijaksanaan saintifik konvensional menyatakan bahawa Big Bang telah menghasilkan pengembangan alam semesta yang secara beransur-ansur akan diperlahankan oleh graviti. Sekiranya kandungan materi di alam semesta memberikan gravitasi yang cukup, suatu hari pengembangannya akan berhenti sama sekali dan alam semesta akan jatuh sendiri dalam Big Crunch. Sekiranya graviti dari jirim tidak mencukupi untuk menghentikan pengembangan sepenuhnya, alam semesta akan terus terlepas selamanya.
"Dari pengumuman pada tahun 1998 dan pengukuran selanjutnya, kita sekarang tahu bahawa pengembangan alam semesta yang dipercepat tidak bermula hingga suatu ketika dalam 10 miliar tahun terakhir," kata Caldwell.
Ahli kosmologi kini berusaha untuk menentukan apakah sebenarnya tenaga gelap. Pada tahun 1917 Einstein mengubah Teori Relativitas Umumnya dengan pemalar kosmologi, yang, jika nilainya tepat, akan memungkinkan alam semesta wujud dalam keadaan statik yang seimbang. Walaupun ahli fizik yang paling terkenal dalam sejarah kemudian menyebut penambahan pemalar ini sebagai "kesalahan terbesar", penemuan tenaga gelap telah menghidupkan kembali idea itu.
"Pemalar kosmologi adalah tenaga vakum (tenaga ruang kosong) yang menahan graviti dari menarik alam semesta itu sendiri," kata Linder. "Masalah dengan pemalar kosmologi adalah ia tetap, dengan ketumpatan tenaga, tekanan, dan persamaan keadaan yang sama dari masa ke masa. Tenaga gelap, bagaimanapun, harus diabaikan pada tahap awal alam semesta; jika tidak, galaksi dan semua bintangnya tidak akan terbentuk. "
Agar pemalar kosmologi Einstein menghasilkan alam semesta yang kita lihat hari ini, skala tenaga mestilah berukuran besar yang lebih kecil daripada yang lain di alam semesta. Walaupun ini mungkin berlaku, kata Linder, nampaknya tidak mungkin. Masukkan konsep "quintessence," yang dinamai elemen kelima Yunani kuno, selain udara, bumi, api, dan air; mereka percaya bahawa ia adalah kekuatan yang menahan bulan dan bintang di tempatnya.
"Quintessence adalah bentuk tenaga yang dinamis, berkembang dari waktu, dan bergantung secara spasial dengan tekanan negatif yang cukup untuk mendorong pengembangan yang dipercepat," kata Caldwell. “Sedangkan pemalar kosmologi adalah bentuk tenaga yang sangat spesifik? tenaga vakum? quintessence merangkumi pelbagai kemungkinan. "
Untuk mengehadkan kemungkinan quintessence dan memberikan sasaran tegas untuk ujian asas yang juga akan mengesahkan pencalonannya sebagai sumber tenaga gelap, Linder dan Caldwell menggunakan medan skalar sebagai model mereka. Medan skalar mempunyai ukuran nilai tetapi bukan arah untuk semua titik di ruang. Dengan pendekatan ini, penulis dapat menunjukkan kepintaran sebagai medan skalar yang menurunkan tenaga potensinya hingga ke nilai minimum. Fikirkan satu set mata air yang tertekan dan berikan tekanan negatif yang mengatasi tekanan graviti positif.
"Medan skalar quintessence adalah seperti bidang mata air yang meliputi setiap titik di ruang angkasa, dengan setiap mata air diregangkan ke panjang yang berbeda," kata Linder. "Untuk pemalar kosmologi Einstein, setiap musim bunga akan sama panjang dan tidak bergerak."
Di bawah senario pencairan mereka, tenaga berpotensi medan quintessence "beku" di tempatnya sehingga ketumpatan bahan yang menurun dari alam semesta berkembang secara beransur-ansur melepaskannya. Dalam senario pembekuan, bidang quintessence telah berputar ke arah potensi minimumnya sejak alam semesta mengalami inflasi, tetapi ketika menguasai alam semesta secara beransur-ansur ia menjadi nilai tetap.
Cadangan SNAP adalah dalam penyelidikan dan pengembangan oleh ahli fizik, ahli astronomi, dan jurutera di Berkeley Lab, bekerjasama dengan rakan-rakan dari University of California di Berkeley dan banyak institusi lain; ia memerlukan teleskop mencerminkan 2-meter, 2-meter di orbit ruang dalam yang akan digunakan untuk mencari dan mengukur ribuan supernova Jenis Ia setiap tahun. Pengukuran ini harus memberikan maklumat yang cukup untuk menunjukkan dengan jelas sama ada senario pencairan atau pembekuan? atau sesuatu yang baru sama sekali baru dan tidak diketahui.
Kata Linder, "Jika hasil dari pengukuran seperti yang dapat dibuat dengan SNAP terletak di luar senario pencairan atau pembekuan, maka kita mungkin harus melihat lebih jauh dari kepintaran, mungkin ke fisika yang lebih eksotik, seperti pengubahsuaian Teori Umum Einstein Relativiti untuk menerangkan tenaga gelap. "
Sumber Asal: Siaran Berita Makmal Berkeley
