Nel decifrare il puzzle cosmico di quale sia la natura dell’energia oscura, impareremo meglio… il destino dell’Universo. Se l’energia oscura cambia in forza o segno è la chiave per sapere se finiremo in un Grande strappo o meno.
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Guardando l’universo oggi, è facile essere assolutamente intimoriti da tutto ciò che possiamo trovare. Le stelle nel nostro cielo notturno sono solo una piccola frazione-poche migliaia su centinaia di miliardi-di ciò che è presente nella nostra Via Lattea., La Via Lattea stessa è solo una galassia solitaria di trilioni presenti all’interno dell’Universo osservabile, che si estende in tutte le direzioni per circa 46 miliardi di anni luce.
E tutto è iniziato circa 13,8 miliardi di anni fa da uno stato caldo, denso e in rapida espansione noto come Big Bang. Questo è il primo momento in cui possiamo descrivere il nostro Universo come pieno di materia e radiazioni, e fare un passo avanti da quello stato date le note leggi della fisica ci permette di spiegare come il cosmo ha preso la sua forma moderna. Ma è tutto ancora in espansione, formando nuove stelle e evolvendosi. Come finirà?, Ecco cosa ha da dire la scienza.
Le candele standard (L) e i righelli standard (R) sono due tecniche diverse che gli astronomi usano per misurare… l’espansione dello spazio a vari tempi / distanze in passato. In base a come quantità come luminosità o dimensione angolare cambiano con la distanza, possiamo dedurre la storia di espansione dell’Universo. L’uso del metodo della candela fa parte della scala di distanza, producendo 73 km/s/Mpc. L’uso del righello fa parte del metodo del segnale precoce, producendo 67 km/s/Mpc.,
NASA / JPL-Caltech
Per molto tempo, gli scienziati che hanno studiato la struttura e l’evoluzione dell’Universo hanno considerato tre possibilità, basate sulla semplice fisica della Relatività Generale e sul contesto dell’Universo in espansione. Da un lato, la gravitazione lavora per riunire tutto; è una forza attraente governata dalla materia e dall’energia, in tutte le loro forme, presenti nell’Universo. D’altra parte, c’è il tasso di espansione iniziale, che lavora per separare tutto.,
Il Big Bang segna la pistola di partenza della più grande gara di tutti i tempi: tra gravità e velocità di espansione. Quale alla fine vincerà nel nostro universo? La risposta a questa domanda, il ragionamento classico è andato, dovrebbe determinare il destino del nostro Universo.
Un Universo che obbedisce alle leggi della relatività ed è riempito, isotropicamente e omogeneamente, con… la materia e / o le radiazioni non possono essere statiche. Deve espandersi o contrarsi, a seconda di cosa c’è dentro e in quali importi.
E., Siegel / Beyond the Galaxy
Ecco cosa pensavamo che le possibilità fossero:
- L’Universo si ricorda in un Big Crunch. L’espansione inizia rapidamente, e la grande quantità di materia e radiazioni lavorano per tirare tutto di nuovo insieme. Se c’è più che sufficiente materia ed energia, l’Universo si espanderà a una dimensione massima, l’espansione si invertirà in contrazione e l’Universo si ricorderà.
- L’Universo si espande per sempre, causando un Grande Congelamento., Tutto inizia come sopra, solo che questa volta la quantità di materia ed energia è insufficiente a contrastare l’espansione. L’Universo continua ad espandersi per sempre, poiché il tasso di espansione continua a scendere ma non raggiunge mai lo zero.
- L’espansione dell’Universo asintota a zero. Immagina la situazione borderline tra i due esempi precedenti. Se ci fosse un protone in più, ci ricorderemmo; uno in meno, e ci espanderemmo per sempre. In questo caso critico (o Riccioli d’oro), l’Universo si espande per sempre, ma al ritmo più lento possibile.,
Per sapere quale fosse corretto, tutto quello che dovevamo fare era misurare quanto velocemente l’Universo si stava espandendo e come quel tasso di espansione cambiava nel tempo. La fisica determinerebbe il resto.
Mentre la materia e la radiazione diventano meno dense man mano che l’Universo si espande a causa del suo volume crescente,… l’energia oscura è una forma di energia inerente allo spazio stesso. Come nuovo spazio viene creato nell’universo in espansione, la densità di energia oscura rimane costante.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Era una delle grandi missioni dell’astrofisica moderna., Misura la velocità con cui l’Universo si stava espandendo, e sai come sta cambiando il tessuto dello spazio oggi. Misura come il tasso di espansione è cambiato nel tempo e sai come è cambiato il tessuto dello spazio in passato.
Metti insieme queste due informazioni e il modo in cui il tasso di espansione è ed è cambiato consente di determinare di cosa è fatto l’Universo e in quali rapporti.
Al meglio delle nostre conoscenze, informati da queste misurazioni, abbiamo determinato che l’Universo è fatto di circa 0,01% di radiazioni, 0,1% di neutrini, 4.,9% di materia normale, 27% di materia oscura e 68% di energia oscura. Questa ricerca, che ha avuto inizio già nel 1920 per alcuni, ha ottenuto una risposta inaspettata alla fine del 1990.
L’universo in espansione, pieno di galassie e struttura complessa che vediamo oggi, è sorto da un più piccolo,… stato più caldo, più denso, più uniforme in passato. Ci deve essere una nuova forma di energia che guida l’attuale fase di espansione accelerata, oltre la materia e la radiazione conosciute.
C. Faucher-Giguère, A. Lidz, e L., Hernquist, Science 319, 5859 (47)
Quindi se l’energia oscura domina l’espansione dell’Universo, cosa significa per il nostro destino? Tutto dipende da come-o se-l’energia oscura si evolve con il tempo. Ecco le cinque possibilità.
1.) L’energia oscura è una costante cosmologica che domina l’espansione. Questa è l’opzione predefinita dato i migliori dati che abbiamo oggi. Mentre la materia diventa meno densa man mano che l’Universo si espande, diluendosi man mano che il volume si espande, l’energia oscura rappresenta una quantità diversa da zero di energia inerente al tessuto dello spazio stesso., Come l’Universo si espande, la densità di energia oscura rimane costante, causando il tasso di espansione asintoto non a zero, ma un valore positivo.
Questo porta a un Universo in espansione esponenziale, e alla fine spingerà via tutto ciò che non fa parte del nostro gruppo locale. Già, il 97% dell’Universo visibile è irraggiungibile in queste condizioni.
Lo scenario Big Rip si verificherà se scopriamo che l’energia oscura aumenta di forza, pur rimanendo… negativo in direzione, nel tempo.
Jeremy Teaford / Vanderbilt University
2.,) L’energia oscura è dinamica e diventa più potente nel tempo. L’energia oscura sembra essere una nuova forma di energia inerente allo spazio stesso, il che implica che ha una densità di energia costante. Ma potrebbe anche cambiare nel tempo. Un possibile modo in cui potrebbe cambiare è che potrebbe rafforzarsi in grandezza, il che farebbe accelerare il tasso di espansione dell’Universo nel tempo.
Non solo gli oggetti più distanti sembrano accelerare lontano da noi, lo farebbero ad un ritmo crescente., Ancora peggio, gli oggetti che ora sono legati gravitazionalmente oggi-come ammassi di galassie, singole galassie, sistema solare e persino atomi — un giorno diventerebbero tutti non legati man mano che l’energia oscura si rafforzava. Nei momenti finali dell’Universo, le particelle subatomiche e il tessuto dello spazio stesso sarebbero stati fatti a pezzi. Questo destino “Big Rip” è una seconda possibilità.
Mentre le densità di energia della materia, della radiazione e dell’energia oscura sono molto note, c’è ancora… un sacco di spazio di manovra nell’equazione di stato dell’energia oscura., Potrebbe essere una costante, ma potrebbe aumentare o diminuire la forza nel tempo.
Storie quantistiche
3.) L’energia oscura è dinamica e decade nel tempo. In quale altro modo potrebbe cambiare l’energia oscura? Invece di rafforzarsi, potrebbe indebolirsi. Certo, il tasso di espansione è coerente con una quantità costante di energia appartenente allo spazio stesso, ma anche questa densità di energia potrebbe cadere.
Se decade a zero, potrebbe portare a una delle possibilità originali espresse sopra: il Big Freeze., L’Universo si espanderebbe ancora, ma senza abbastanza materia e altre forme di energia da ricordare.
Se decade per diventare negativo, tuttavia, potrebbe portare a un’altra delle possibilità: un Big Crunch. L’Universo potrebbe essere riempito di energia intrinseca allo spazio che improvvisamente ha cambiato i segni e ha causato lo spazio a ricordare. Mentre la scala temporale per questi cambiamenti è vincolata ad essere molto più lunga del tempo trascorso dal Big Bang, potrebbe ancora verificarsi.
I diversi modi in cui l’energia oscura potrebbe evolversi nel futuro. Rimanendo costante o aumentando in…, la forza (in un grande strappo) potrebbe potenzialmente ringiovanire l’Universo, mentre invertire il segno potrebbe portare a un Big Crunch.
NASA/CXC/M. Weiss
4. L’energia oscura potrebbe trasformarsi in un’altra forma di energia, ringiovanendo l’Universo. Se l’energia oscura non decade, ma invece rimane costante o addirittura si rafforza, c’è un’altra possibilità che sorge. Questa energia, inerente al tessuto dello spazio oggi, potrebbe non rimanere in quella forma per sempre., Invece, potrebbe ottenere convertito in materia-e-radiazione, simile a quello che è accaduto quando l’inflazione cosmica si è conclusa e il Big Bang caldo ha cominciato.
Se l’energia oscura rimane costante fino a quel punto, creerà una versione molto, molto fredda e diffusa del Big Bang caldo, dove solo neutrini e fotoni possono auto-crearsi. Ma se l’energia oscura aumenta di forza, potrebbe portare a uno stato simile all’inflazione seguito da un nuovo Big Bang veramente caldo ancora una volta., Questo è il modo più semplice per ringiovanire l’Universo e creare un insieme di parametri ciclici, in cui l’Universo appena creato ha un’altra possibilità di comportarsi proprio come il nostro.
Il modello più semplice di inflazione è che abbiamo iniziato in cima a una collina proverbiale, dove… l’inflazione persistette, e rotolò in una valle, dove l’inflazione si è conclusa e ha portato al caldo Big Bang., Se quella valle non è ad un valore di zero, ma invece ad un valore positivo, diverso da zero, potrebbe essere possibile un tunnel quantistico in uno stato di energia inferiore, che avrebbe gravi conseguenze per l’Universo che conosciamo oggi.
E. Siegel / Oltre la Galassia
5.) L’energia oscura è correlata all’energia del punto zero del vuoto quantico e decadrà, distruggendo l’Universo che conosciamo. Questa è la possibilità più distruttiva di tutte., Cosa succede se l’energia oscura non è il vero valore dello spazio vuoto nella configurazione a energia più bassa, ma è il risultato di simmetrie all’inizio dell’Universo che si sono infrante in una configurazione falsa minima?
Se è così, ci sarebbe un modo per farlo tunnel quantistico in uno stato di energia inferiore, cambiando le leggi della fisica e distruggendo tutti gli stati legati (cioè particelle) dei campi quantistici oggi. Se il vuoto quantico è instabile in questo modo particolare, ovunque si verifichi questo decadimento si tradurrà nella distruzione di tutto nell’Universo in una bolla che si espande verso l’esterno alla velocità della luce., Se un tale segnale ci raggiungesse, sarebbe accompagnato anche dalla nostra distruzione istantanea.
L’area di visualizzazione di Hubble (in alto a sinistra) rispetto all’area che WFIRST sarà in grado di visualizzare, a… la stessa profondità, nella stessa quantità di tempo. La visione ad ampio campo di WFIRST ci permetterà di catturare un numero maggiore di supernove distanti rispetto al passato, permettendoci di determinare e limitare meglio la natura dell’energia oscura.,
NASA / Goddard/WFIRST
Sebbene non sappiamo quale di queste possibilità sia vera per il nostro Universo, i dati sono incredibilmente coerenti con la prima opzione: che l’energia oscura sia veramente una costante. In questo momento, le nostre osservazioni su come l’Universo si è evoluto — in particolare a causa della radiazione cosmica di fondo a microonde e della struttura su larga scala dell’Universo-pongono stretti vincoli su quanto spazio di manovra ci sia per cambiare l’energia oscura.,
Con il prossimo avvento della missione astrofisica di punta della NASA degli anni 2020, WFIRST, siamo pronti a stringere quel margine di manovra di forse un altro fattore di 10 o giù di lì. Se l’energia oscura offre qualche indicazione che il nostro destino sarà diverso da quello che prevediamo oggi, quell’osservatorio sarà quello con la migliore possibilità di rivelare scientificamente questa nuova verità sul nostro Universo. Fino ad allora, tutto quello che abbiamo sono le possibilità che sappiamo prendere in considerazione. Il resto spetta alla scienza.