Mitä on pimeä energia?

Kuva, joka näyttää tilannekuvia astrofysiikan simulaatiostaVolker SpringelSaksan Max Planck -instituutista. Se edustaa kosmisen rakenteen (galaksien ja tyhjiöiden) kasvua, kun maailmankaikkeus oli 0,9 miljardia, 3,2 miljardia ja 13,7 miljardia vuotta vanha (nyt). Kuva Volker Springel/ MPE/Kavlin säätiö.

Pimeä energia on nimi sille salaperäiselle voimalle, joka saa universumin laajentumisnopeuden kiihtymään ajan myötä pikemminkin kuin hidastumaan. Se on vastoin sitä, mitä voisi odottaa aAlkuräjähdys. 1900 -luvun tähtitieteilijät oppivat, että maailmankaikkeus laajenee. He ajattelivat laajentumisen jatkuvan ikuisesti tai lopulta - jos maailmankaikkeudella olisi tarpeeksi massaa ja siksi tarpeeksiitsensä painovoima- peruuta ja aiheuta aBig Crunch. Tämä ajatus on kehittynyt 2000 -luvun alussa. Maailmankaikkeuden nähdään laajenevannopeammin tänäänkuin miljardeja vuosia sitten. Mikä voisi aiheuttaa laajentumisnopeuden kasvun? Tähtitieteilijät puhuvat nyt joskus avastenmielinen voimamahdollisena tapana ymmärtää se.

Useimmat kosmologit uskoivat 1990 -luvun lopulle asti, että maailmankaikkeudella ei ollut tarpeeksi massaa aiheuttamaan suurta murrosta. Erityisesti2dF Galaxy Redshift SurveyjaSloan Digital Sky Surveynäytti vahvistavan, että maailmankaikkeus laajenee ikuisesti, vaikkakin jatkuvasti hitaammin, kun maailmankaikkeuden oma massa ja oma painovoima yrittivät vetää sitä takaisin.

Ensimmäinen osoitus jostakin vallankumouksellisesta löydettävistä tuli vuonna 1998 tyypin 1A supernovoja tutkittaessa. Nämä massiiviset kuolevien jättitähtien räjähdykset ovat erittäin hyödyllisiä tähtitieteilijöille, koska ne tuottavat aina saman määrän valoa, ja siksi niitä voidaan käyttää ns.tavalliset kynttilät”Etäisyyksien laskemiseksi kosmoksessa. Tämä on hyvin yksinkertainen idea. Ajattele tulikärpäsiä yöllä: ne kaikki loistavat samalla kirkkaudella. Mittaamalla, kuinka kirkkaita ne ovat sinusta, voit laskea niiden etäisyyden.

Vuoden 1998 tutkimuksen suoritti kaksi kansainvälistä tähtitieteilijäryhmää, mukaan lukien amerikkalaisetAdam RiessjaSaul PerlmutterjaBrian SchmidtAustraliassa. Kahdeksan teleskoopin avulla maailmanlaajuisesti niiden tavoitteena oli käyttää tyypin 1A supernovien etäisyyttä maailmankaikkeuden laajentumisnopeuden laskemiseen.Hubble -vakio(vaikka todellisuudessa maailmankaikkeuden laajentumisnopeus vaihtelee ajan myötä, se ei ole teknisesti vakio).

Kyselyn tulokset olivat hämmästyttäviä. Kaukana olevat supernovat, jotka räjähtivät, kun maailmankaikkeus oli vain 2/3 sen nykyisestä iästä, olivat paljon heikompia kuin niiden olisi pitänyt olla, ja olivat siten paljon kauempana. Tästä seuraa, että maailmankaikkeus oli laajentunut paljon nopeammin kuin sen olisi pitänyt tehdä, jos nykyiset ajatukset olivat oikein.

Tämä kaavio paljastaa muutokset laajentumisnopeudessa maailmankaikkeuden syntymän jälkeen 15 miljardia vuotta sitten. Mitä matalampi käyrä, sitä nopeampi laajentumisnopeus. Käyrä muuttuu huomattavasti noin 7,5 miljardia vuotta sitten, kun maailmankaikkeuden esineet alkoivat lentää toisistaan ​​nopeammin. Tähtitieteilijät arvelevat, että nopeampi laajentumisnopeus johtuu salaperäisestä, pimeästä voimasta: pimeästä energiasta. Kuva NASA/ STSci/ Ann Feild/HubbleSite.

Tähtitieteellisessä yhteisössä havaittiin paljon skeptisyyttä, kun nämä tulokset paljastettiin, ja havainnot toistettiin pian muiden ryhmien ja muiden menetelmien avulla. Vuosituhannen vaihteessa oli käynyt selväksi, että maailmankaikkeuden laajentuminen ei hidasta, kuten yleisesti uskottiin. Se itse asiassa kiihtyy.

Vielä oudompaa on, että laajentuminen oli hidastunut, kuten voisi odottaa, vasta seitsemän tai kahdeksan miljardin vuoden kuluttua alkuräjähdyksestä. Mutta sitten täysin tuntemattomista syistä alkoi hallita salaperäinen 'painovoiman vastainen voima', joka voitti jarrutuksen, jonka painovoima asetti laajentumiseen, mikä kääntyi sitten hidastumaan ja alkoi kiihdyttää.

Voit kuvitella kuinka järkyttävää tämä ilmoitus oli tähtitieteilijöille ja kosmologeille.

Tästä kiihtyvyydestä vastuussa oleva voima dubattiinpimeää energiaatiedemiesten toimesta. Tässä tapauksessa,tummatarkoittaatuntematonpikemminkin kuin kirjaimellisesti pimeä, kuten asia onpimeä aine. On huomattava, että pimeä energia ja pimeä aine ovat täysin toisiinsa liittymättömiä ilmiöitä.Lue lisää: Mikä on pimeä aine?

Tämän mysteerin lisäämiseksi tämän kummallisen pimeän energian ominaisuudet näyttävät vastaavan Einsteinin ominaisuuksiakosmologinen vakio, joskus kutsui häntäfudge -tekijäja myöhemmin Einstein itse kuvaili sitä elämänsä suurimmaksi ammatilliseksi virheeksi. Einstein inhosi ajatusta laajenevasta maailmankaikkeudesta, mieluummin staattista, jonka olettivakaan tilan kosmologia, joka oli suosittu 1900 -luvun alussa. Hän keksi määrittelemättömän painovoiman vastaisen voiman vastustamaan maailmankaikkeuden havaittua laajentumista, mikä johtaisi universumiin, joka ei laajene. Kuitenkin Einstein peruutti myöhemmin tämän ajatuksen, jota havainnot eivät tukeneet.

Pimeä energia on yksi kosmologian suurista ratkaisemattomista mysteereistä. Nykyään sen uskotaan muodostavan 68% kaikesta maailmankaikkeudessa normaalista, niin sanotusta 'baryonisesta' aineesta-jokaisen aineen, jonka voimme todella nähdä-muodostaen vain 5%, ja loput koostuvatpimeä aine, toinen valtava kosminen mysteeri.

Pimeä energia käyttäytyy kuin Einsteinin painovoiman vastainen voima, mutta sen luonne ja alkuperä ovat tuntemattomia. Yksi sen suurimmista mysteereistä on se, miksi pimeä energia alkoi hallita maailmankaikkeuden laajentumisnopeutta tiettynä ajankohtana miljardeja vuosia alkuräjähdyksen jälkeen. Jos se on nyt olemassa, miksi se ei ollut siellä koko ajan?

Pimeän energian fysiikka on erittäin spekulatiivista. Yksi viime vuosina levinnyt ajatus on, että pimeä energia muistuttaa voimaa, joka tunnetaan nimellä 'kvintessenssi, ”Joka on sukulainenHiggsin kenttä. Mutta toistaiseksi ei ole havainnollista näyttöä tämän tueksi tai vähentämiseksi.

Kosmologeilla ei myöskään ole aavistustakaan, jatkaakö pimeä energia kiihdyttämään maailmankaikkeuden laajentumista ikuisesti, mikä johtaa skenaarioon kauas tulevaisuudessa, jossa kiihtyvyys voittaa maailmankaikkeutta yhdessä pitävät voimat ja repii kirjaimellisesti kaiken kosmoksen aineen erilleen. painajaisskenaario, joka tunnetaan nimelläIso repeämä.

On olemassa useita nykyisiä ja tulevia avaruusoperaatioita ja maanpäällisiä tutkimuksia, joissa tutkitaan pimeän energian luonnetta, mukaan lukien NASAn kiertorataWFIRSTkaukoputki ja kansainvälinenPimeän energian tutkimus, kotipaikka Chile.

Toivotaan, että pian pääsemme parempaan ymmärrykseen tästä salaperäisestä voimasta, jolla on niin suuri vaikutus maailmankaikkeuden tulevaisuuteen, mutta tämän ymmärryksen saamiseksi meidän on luonnosteltava paljon täydellisempi maailmankaikkeuden historia. Kuitenkin 13,7 miljardin vuoden arkeologia on äärimmäisen vaikeaa ja aikaa vievää, sillä niin monta muinaista kerrosta puuttuu tai on epäselvä, joten emme voi odottaa äkillisiä paljastuksia.

Bottom line: Maailmankaikkeus laajenee nopeammin kuin vanhemmat teoriat ennustivat. Pimeä energia, yksi kosmologian suurimmista ratkaisemattomista mysteereistä, voi aiheuttaa sen kiihtyvän laajentumisen. Pimeän energian uskotaan nyt muodostavan 68% kaikesta maailmankaikkeudesta.