De SuperNova / Acceleration Probe, SNAP. Afbeelding tegoed: Berkeley Lab Klik om te vergroten
Wat is de mysterieuze donkere energie die ervoor zorgt dat de uitdijing van het universum versnelt? Is het een vorm van Einsteins beroemde kosmologische constante, of is het een exotische afstotende kracht, genaamd 'kwintessens', die wel driekwart van de kosmos zou kunnen uitmaken? Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en Dartmouth College zijn van mening dat er een manier is om daar achter te komen.
In een artikel dat zal worden gepubliceerd in Physical Review Letters, laten natuurkundigen Eric Linder van Berkeley Lab en Robert Caldwell van Dartmouth zien dat natuurkundige modellen van donkere energie kunnen worden onderverdeeld in verschillende scenario's, die kunnen worden gebruikt om de kosmologische constante van Einstein uit te sluiten en de aard uit te leggen van donkere energie. Bovendien zouden wetenschappers moeten kunnen bepalen welke van deze scenario's klopt met de geplande experimenten voor de Joint Dark Energy Mission (JDEM) die is voorgesteld door NASA en het Amerikaanse ministerie van Energie.
"Wetenschappers stellen de vraag‘ hoe moeten we donkere energie precies meten om te weten wat het is? ’, Zegt Linder. “Wat we in ons artikel hebben gedaan, is het suggereren van precisielimieten voor de metingen. Gelukkig moeten deze limieten binnen het bereik van de JDEM-experimenten vallen. ”
Linder en Caldwell zijn beiden lid van het DOE-NASA wetenschappelijke definitieteam voor JDEM, dat verantwoordelijk is voor het opstellen van de wetenschappelijke vereisten van de missie. Linder is de leider van de theoriegroep voor SNAP? de SuperNova / Acceleration Probe, een van de voorgestelde voertuigen voor het uitvoeren van de JDEM-missie. Caldwell, hoogleraar natuurkunde en astronomie in Dartmouth, is een van de grondleggers van het quintessence-concept.
In hun paper in Physical Review Letters beschrijven Linder en Caldwell twee scenario's, één die ze 'ontdooien' noemen en één die ze 'bevriezen' noemen, die wijzen op een duidelijk ander lot voor ons permanent uitbreidende universum. Onder het ontdooiscenario zal de versnelling van de expansie geleidelijk afnemen en uiteindelijk tot stilstand komen, zoals een auto wanneer de bestuurder het gaspedaal loslaat. De uitdijing kan langzamer doorgaan, of het universum kan zelfs terugvallen. In het vriesscenario gaat de acceleratie oneindig door, als een auto met het gaspedaal op de grond gedrukt. Het universum zou steeds diffuser worden, totdat uiteindelijk ons melkwegstelsel zich alleen in de ruimte zou bevinden.
Elk van deze twee scenario's sluit de kosmologische constante van Einstein uit. In hun paper laten Linder en Caldwell voor het eerst zien hoe ze Einsteins idee netjes kunnen scheiden van andere mogelijkheden. Onder elk scenario is donkere energie echter een kracht waarmee rekening moet worden gehouden.
Linder zegt: “Omdat donkere energie ongeveer 70 procent van de inhoud van het universum uitmaakt, domineert het de materie-inhoud. Dat betekent dat donkere energie de expansie zal beheersen en uiteindelijk het lot van het universum zal bepalen. ”
In 1998 hebben twee onderzoeksgroepen het veld van de kosmologie opgeschud met hun onafhankelijke aankondigingen dat de uitbreiding van het universum versnelt. Door het meten van de roodverschuiving van licht van type Ia supernovae, sterren in de diepe ruimte die exploderen met een karakteristieke energie, hebben teams van het Supernova Cosmology Project met hoofdkantoor in Berkeley Lab en het High-Z Supernova Search Team in het centrum van Australië bepaald dat de uitbreiding van het universum versnelt, niet vertraagt. De onbekende kracht achter deze versnelde expansie kreeg de naam 'donkere energie'.
Voorafgaand aan de ontdekking van donkere energie, was er volgens conventionele wetenschappelijke wijsheid dat de oerknal had geresulteerd in een uitdijing van het universum dat geleidelijk zou worden vertraagd door de zwaartekracht. Als de materie-inhoud in het universum voor voldoende zwaartekracht zou zorgen, zou de expansie op een dag helemaal stoppen en zou het universum op zichzelf terugvallen in een Big Crunch. Als de zwaartekracht van de stof onvoldoende was om de uitdijing volledig te stoppen, zou het universum voor altijd uit elkaar blijven drijven.
"Van de aankondigingen in 1998 en daaropvolgende metingen weten we nu dat de versnelde uitdijing van het universum pas ergens in de afgelopen 10 miljard jaar is begonnen", zegt Caldwell.
Kosmologen worstelen nu om te bepalen wat donkere energie precies is. In 1917 wijzigde Einstein zijn algemene relativiteitstheorie met een kosmologische constante, die, als de waarde juist was, het universum in een perfect uitgebalanceerde, statische toestand zou laten bestaan. Hoewel de beroemdste natuurkundige uit de geschiedenis de toevoeging van deze constante later zijn 'grootste blunder' zou noemen, heeft de ontdekking van donkere energie het idee nieuw leven ingeblazen.
'De kosmologische constante was een vacuümenergie (de energie van lege ruimte) die ervoor zorgde dat de zwaartekracht het universum niet naar zich toe trok', zegt Linder. 'Een probleem met de kosmologische constante is dat deze constant is, met dezelfde energiedichtheid, druk en toestandsvergelijking in de tijd. Donkere energie moest echter te verwaarlozen zijn in de eerste stadia van het universum; anders zouden de sterrenstelsels en al hun sterren zich nooit hebben gevormd. '
Om de kosmologische constante van Einstein te laten resulteren in het universum dat we vandaag zien, zou de energieschaal vele ordes van grootte kleiner moeten zijn dan al het andere in het universum. Hoewel dit mogelijk is, zegt Linder, lijkt het niet waarschijnlijk. Betreed het concept van 'kwintessens', genoemd naar het vijfde element van de oude Grieken, naast lucht, aarde, vuur en water; ze geloofden dat het de kracht was die de maan en de sterren op hun plaats hield.
"Quintessence is een dynamische, tijdveranderende en ruimtelijk afhankelijke vorm van energie met voldoende negatieve druk om de versnellende expansie te stimuleren", zegt Caldwell. “Terwijl de kosmologische constante een heel specifieke vorm van energie is? vacuüm energie? Quintessence omvat een breed scala aan mogelijkheden. ”
Om de mogelijkheden voor kwintessentie te beperken en stevige doelen te bieden voor basistests die ook hun kandidatuur als bron van donkere energie zouden bevestigen, gebruikten Linder en Caldwell een scalair veld als hun model. Een scalair veld heeft een waarde, maar niet de richting voor alle punten in de ruimte. Met deze benadering waren de auteurs in staat om quintessence te tonen als een scalair veld dat zijn potentiële energie tot een minimumwaarde ontspande. Denk aan een set veren die onder spanning staan en een negatieve druk uitoefenen die de positieve zwaartekracht tegenwerkt.
"Een typisch scalair veld is als een veld van veren dat elk punt in de ruimte bedekt, waarbij elke veer op een andere lengte is uitgerekt," zei Linder. "Voor Einsteins kosmologische constante zou elke veer even lang en stil zijn."
Onder hun ontdooiscenario werd de potentiële energie van het kwintessentieveld op zijn plaats "bevroren" totdat de afnemende materiaaldichtheid van een uitdijend universum het geleidelijk losliet. In het bevriezingsscenario rolt het kwintessensveld naar zijn minimale potentieel sinds het universum inflatie onderging, maar naarmate het het universum gaat domineren, wordt het geleidelijk een constante waarde.
Het SNAP-voorstel is in onderzoek en ontwikkeling door natuurkundigen, astronomen en ingenieurs van Berkeley Lab, in samenwerking met collega's van de University of California in Berkeley en vele andere instellingen; het vraagt om een spiegeltelescoop met drie spiegels van 2 meter in een diepe ruimte-baan die gebruikt zou worden om jaarlijks duizenden Type Ia-supernova's te vinden en te meten. Deze metingen moeten voldoende informatie opleveren om duidelijk naar het ontdooi- of vriesscenario te wijzen? of naar iets anders geheel nieuws en onbekend.
Linder zegt: “Als de resultaten van metingen zoals die die met SNAP kunnen worden gemaakt buiten de dooi- of vriesscenario's liggen, dan moeten we misschien verder kijken dan de kwintessens, misschien naar nog meer exotische fysica, zoals een aanpassing van Einsteins algemene theorie van Relativiteit om donkere energie te verklaren. "
Oorspronkelijke bron: Berkeley Lab News Release
