Die SuperNova / Beschleunigungssonde SNAP. Bildnachweis: Berkeley Lab Zum Vergrößern anklicken
Was ist die mysteriöse dunkle Energie, die die Expansion des Universums beschleunigt? Ist es eine Form von Einsteins berühmter kosmologischer Konstante oder ist es eine exotische abstoßende Kraft, die als "Quintessenz" bezeichnet wird und bis zu drei Viertel des Kosmos ausmachen könnte? Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und des Dartmouth College glauben, dass es einen Weg gibt, dies herauszufinden.
In einem Artikel, der in Physical Review Letters veröffentlicht werden soll, zeigen die Physiker Eric Linder vom Berkeley Lab und Robert Caldwell von Dartmouth, dass physikalische Modelle der Dunklen Energie in verschiedene Szenarien unterteilt werden können, die verwendet werden könnten, um Einsteins kosmologische Konstante auszuschließen und die Natur zu erklären der dunklen Energie. Darüber hinaus sollten Wissenschaftler in der Lage sein, festzustellen, welches dieser Szenarien mit den von der NASA und dem US-Energieministerium vorgeschlagenen Joint Dark Energy Mission (JDEM) für die Joint Dark Energy Mission (JDEM) geplant ist.
"Wissenschaftler haben die Frage diskutiert, wie genau wir die Dunkle Energie messen müssen, um zu wissen, was sie ist.", Sagt Linder. „In unserem Artikel haben wir Präzisionsgrenzen für die Messungen vorgeschlagen. Glücklicherweise sollten diese Grenzen im Bereich der JDEM-Experimente liegen. “
Linder und Caldwell sind beide Mitglieder des DOE-NASA-Wissenschaftsdefinitionsteams für JDEM, das für die Erstellung der wissenschaftlichen Anforderungen der Mission verantwortlich ist. Linder ist der Leiter der Theoriegruppe für SNAP? die SuperNova / Beschleunigungssonde, eines der vorgeschlagenen Fahrzeuge zur Durchführung der JDEM-Mission. Caldwell, Professor für Physik und Astronomie in Dartmouth, ist einer der Urheber des Quintessenzkonzepts.
In ihrem Artikel in Physical Review Letters beschreiben Linder und Caldwell zwei Szenarien, eines, das sie "Auftauen" nennen, und eines, das sie "Einfrieren" nennen, die auf deutlich unterschiedliche Schicksale für unser sich permanent ausdehnendes Universum hinweisen. Während des Auftauszenarios nimmt die Beschleunigung der Expansion allmählich ab und kommt schließlich zum Stillstand, wie bei einem Auto, wenn der Fahrer das Gaspedal betätigt. Die Expansion kann langsamer fortgesetzt werden oder das Universum kann sogar wieder zusammenbrechen. Im Gefrierszenario wird die Beschleunigung unbegrenzt fortgesetzt, wie bei einem Auto, bei dem das Gaspedal auf den Boden gedrückt wird. Das Universum würde zunehmend diffuser werden, bis sich unsere Galaxie schließlich allein im Weltraum befindet.
Jedes dieser beiden Szenarien schließt Einsteins kosmologische Konstante aus. In ihrer Arbeit zeigen Linder und Caldwell zum ersten Mal, wie man Einsteins Idee sauber von anderen Möglichkeiten trennt. In jedem Szenario ist dunkle Energie jedoch eine Kraft, mit der gerechnet werden muss.
Linder sagt: „Da dunkle Energie etwa 70 Prozent des Inhalts des Universums ausmacht, dominiert sie den Inhalt der Materie. Das bedeutet, dass dunkle Energie die Expansion regieren und letztendlich das Schicksal des Universums bestimmen wird. “
1998 erschütterten zwei Forschungsgruppen das Gebiet der Kosmologie mit ihren unabhängigen Ankündigungen, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Durch Messung der Rotverschiebung von Licht aus Supernovae vom Typ Ia, Weltraumsternen, die mit einer charakteristischen Energie explodieren, stellten Teams des Supernova Cosmology Project mit Sitz im Berkeley Lab und des High-Z Supernova Search Teams mit Sitz in Australien fest, dass sich das Universum ausdehnt beschleunigt tatsächlich, nicht verlangsamt. Die unbekannte Kraft hinter dieser beschleunigten Expansion erhielt den Namen "Dunkle Energie".
Vor der Entdeckung der Dunklen Energie war nach konventioneller wissenschaftlicher Weisheit der Urknall zu einer Expansion des Universums geführt worden, die durch die Schwerkraft allmählich verlangsamt werden würde. Wenn der Materiegehalt im Universum genügend Schwerkraft liefern würde, würde die Expansion eines Tages ganz aufhören und das Universum würde in einer großen Krise auf sich selbst zurückgreifen. Wenn die Schwerkraft der Materie nicht ausreicht, um die Expansion vollständig zu stoppen, würde das Universum für immer auseinander schweben.
"Aus den Ankündigungen von 1998 und den nachfolgenden Messungen wissen wir jetzt, dass die beschleunigte Expansion des Universums erst in den letzten 10 Milliarden Jahren begann", sagt Caldwell.
Kosmologen versuchen nun herauszufinden, was genau dunkle Energie ist. 1917 änderte Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie mit einer kosmologischen Konstante, die es dem Universum ermöglichen würde, in einem perfekt ausgeglichenen statischen Zustand zu existieren, wenn der Wert stimmt. Obwohl der berühmteste Physiker der Geschichte später die Hinzufügung dieser Konstante als seinen "größten Fehler" bezeichnete, hat die Entdeckung der dunklen Energie die Idee wiederbelebt.
"Die kosmologische Konstante war eine Vakuumenergie (die Energie des leeren Raums), die die Schwerkraft davon abhielt, das Universum in sich hineinzuziehen", sagt Linder. „Ein Problem mit der kosmologischen Konstante ist, dass sie konstant ist und dieselbe Energiedichte, denselben Druck und dieselbe Zustandsgleichung über die Zeit aufweist. Dunkle Energie musste jedoch in den frühesten Stadien des Universums vernachlässigbar sein. sonst hätten sich die Galaxien und all ihre Sterne niemals gebildet. “
Damit Einsteins kosmologische Konstante zu dem Universum führt, das wir heute sehen, müsste die Energieskala viele Größenordnungen kleiner sein als alles andere im Universum. Dies mag zwar möglich sein, sagt Linder, aber es scheint nicht wahrscheinlich. Geben Sie das Konzept der „Quintessenz“ ein, das neben Luft, Erde, Feuer und Wasser nach dem fünften Element der alten Griechen benannt ist. Sie glaubten, es sei die Kraft, die den Mond und die Sterne an Ort und Stelle hielt.
„Quintessenz ist eine dynamische, sich zeitlich entwickelnde und räumlich abhängige Energieform mit einem Unterdruck, der ausreicht, um die beschleunigte Expansion voranzutreiben“, sagt Caldwell. „Während die kosmologische Konstante eine sehr spezifische Energieform ist? Vakuumenergie? Quintessenz umfasst eine breite Klasse von Möglichkeiten. “
Um die Möglichkeiten der Quintessenz einzuschränken und feste Ziele für grundlegende Tests festzulegen, die auch seine Kandidatur als Quelle dunkler Energie bestätigen würden, verwendeten Linder und Caldwell ein Skalarfeld als Modell. Ein Skalarfeld besitzt ein Maß für den Wert, aber nicht für alle Punkte im Raum. Mit diesem Ansatz konnten die Autoren die Quintessenz als Skalarfeld zeigen, das seine potentielle Energie auf einen minimalen Wert reduziert. Stellen Sie sich eine Reihe von Federn vor, die unter Spannung stehen und einen Unterdruck ausüben, der dem positiven Schwerkraftdruck entgegenwirkt.
"Ein Quintessenz-Skalarfeld ist wie ein Feld von Federn, die jeden Punkt im Raum abdecken, wobei jede Feder auf eine andere Länge gespannt ist", sagte Linder. "Für Einsteins kosmologische Konstante wäre jede Feder gleich lang und bewegungslos."
Unter ihrem Auftauszenario wurde die potentielle Energie des Quintessenzfeldes an Ort und Stelle „eingefroren“, bis die abnehmende Materialdichte eines expandierenden Universums es allmählich freisetzte. Im Gefrierszenario rollt das Quintessenzfeld seit der Inflation des Universums auf sein minimales Potenzial zu, aber wenn es das Universum dominiert, wird es allmählich zu einem konstanten Wert.
Der SNAP-Vorschlag wird von Physikern, Astronomen und Ingenieuren des Berkeley Lab in Zusammenarbeit mit Kollegen der University of California in Berkeley und vielen anderen Institutionen erforscht und entwickelt. Es erfordert ein 2-Meter-Spiegelteleskop mit drei Spiegeln im Weltraum, mit dem jedes Jahr Tausende von Supernovae vom Typ Ia gefunden und gemessen werden können. Diese Messungen sollten genügend Informationen liefern, um eindeutig auf das Auftau- oder Gefrierszenario hinzuweisen. oder zu etwas ganz anderem und Unbekanntem.
Linder sagt: „Wenn die Ergebnisse von Messungen wie denen, die mit SNAP durchgeführt werden könnten, außerhalb der Auftau- oder Gefrierszenarien liegen, müssen wir möglicherweise über die Quintessenz hinausblicken, vielleicht sogar auf eine noch exotischere Physik, wie eine Modifikation von Einsteins allgemeiner Theorie der Relativitätstheorie, um dunkle Energie zu erklären. “
Originalquelle: Pressemitteilung von Berkeley Lab
