rozszyfrowując Kosmiczną zagadkę, czym jest natura ciemnej energii, nauczymy się lepiej… los wszechświata. Czy ciemna energia zmienia siłę lub znak jest kluczem do poznania, czy skończymy w Wielkim rozdarciu, czy nie.
Scenic Reflections Wallpaper
patrząc dziś na wszechświat, łatwo jest być absolutnie zachwyconym wszystkim, co możemy znaleźć. Gwiazdy na naszym nocnym niebie to tylko niewielki ułamek-kilka tysięcy z setek miliardów-tego, co jest obecne w naszej Drodze Mlecznej., Sama droga Mleczna jest tylko jedną samotną galaktyką z bilionów obecnych w obserwowalnym wszechświecie, która rozciąga się we wszystkich kierunkach przez około 46 miliardów lat świetlnych.
a wszystko zaczęło się jakieś 13,8 miliarda lat temu od gorącego, gęstego, szybko rozwijającego się stanu znanego jako Wielki Wybuch. To pierwszy moment, w którym możemy opisać nasz wszechświat jako pełen materii i promieniowania, a wyjście z tego stanu, biorąc pod uwagę znane prawa fizyki, pozwala nam wyjaśnić, w jaki sposób kosmos przybrał swój współczesny kształt. Ale to wszystko wciąż się rozwija, tworzy nowe gwiazdy i ewoluuje. Jak to się skończy?, Oto, co nauka ma do powiedzenia.
świece Standardowe (L) i linijki standardowe (R) to dwie różne techniki, których astronomowie używają do pomiaru… ekspansja przestrzeni w różnych okresach / odległościach w przeszłości. Opierając się na tym, jak wielkości takie jak jasność czy rozmiar kątowy zmieniają się wraz z odległością, możemy wywnioskować historię ekspansji Wszechświata. Metoda świecowa jest częścią drabinki dystansowej, uzyskując 73 km / S / Mpc. Użycie linijki jest częścią metody wczesnego sygnału, uzyskując 67 km / s / Mpc.,
NASA / JPL-Caltech
przez długi czas naukowcy, którzy badali strukturę i ewolucję wszechświata rozważali trzy możliwości, oparte na prostej fizyce ogólnej teorii względności i kontekście rozszerzającego się Wszechświata. Z jednej strony grawitacja działa, aby przyciągnąć wszystko razem; jest to atrakcyjna Siła rządzona przez materię i energię, we wszystkich ich formach, obecnych we wszechświecie. Z drugiej strony, jest początkowa szybkość ekspansji, która działa, aby wszystko od siebie oddzielić.,
Big Bang oznacza działo startowe największego wyścigu wszech czasów: między grawitacją a szybkością ekspansji. Który z nich ostatecznie wygra w naszym wszechświecie? Odpowiedź na to pytanie, Klasyczne rozumowanie, powinno przesądzić o losie naszego wszechświata.
wszechświat, który przestrzega praw względności i jest wypełniony izotropowo i jednorodnie… Materia i / lub promieniowanie nie mogą być statyczne. Musi się rozszerzać lub kurczyć, w zależności od tego, co jest w środku i w jakich ilościach.
E., Siegel / Beyond the Galaxy
oto, co myśleliśmy możliwości były:
- Wszechświat wspomina w Wielkim Kryzysie. Ekspansja zaczyna się szybko, a duża ilość materii i promieniowania działa, aby zebrać wszystko do kupy. Jeśli jest więcej niż wystarczająco dużo materii i energii, Wszechświat rozszerzy się do jakiegoś maksymalnego rozmiaru, ekspansja odwróci się do kurczenia się, a wszechświat przypomni sobie.
- Wszechświat rozszerza się na zawsze, powodując duże zamrożenie., Wszystko zaczyna się tak samo jak wyżej, tylko tym razem ilość materii i energii jest niewystarczająca, aby przeciwdziałać ekspansji. Wszechświat stale się rozszerza, ponieważ tempo ekspansji ciągle spada, ale nigdy nie osiąga zera.
- ekspansja wszechświata asymptoty do zera. Wyobraź sobie sytuację graniczną pomiędzy dwoma powyższymi przykładami. Gdyby był jeszcze jeden proton, pamiętalibyśmy, jeden mniej i rozwijalibyśmy się na zawsze. W tym krytycznym (lub Złotowłosa) przypadku, Wszechświat rozszerza się na zawsze, ale w najwolniejszym możliwym tempie.,
aby dowiedzieć się, który z nich jest prawidłowy, wystarczyło zmierzyć, jak szybko wszechświat się rozszerza i jak tempo ekspansji zmienia się w czasie. Fizyka określiłaby resztę.
podczas gdy Materia i promieniowanie stają się mniej gęste, gdy Wszechświat rozszerza się ze względu na jego rosnącą objętość,… ciemna energia jest formą energii nieodłączną przestrzeni. W miarę tworzenia się nowej przestrzeni w rozszerzającym się wszechświecie, gęstość ciemnej energii pozostaje stała.
E. Siegel / Beyond the Galaxy
była to jedna z największych misji współczesnej astrofizyki., Zmierz tempo, w jakim wszechświat się rozszerzał, a wiesz, jak struktura przestrzeni zmienia się dzisiaj. Zmierz, jak tempo ekspansji zmieniało się w czasie, a wiesz, jak struktura przestrzeni zmieniała się w przeszłości.
połącz te dwie informacje, a sposób, w jaki szybkość ekspansji jest i również się zmieniła, pozwala określić, z czego jest zbudowany wszechświat i w jakich proporcjach.
zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, na podstawie tych pomiarów ustaliliśmy, że wszechświat składa się z około 0,01% promieniowania, 0,1% neutrin, 4.,9% normalnej materii, 27% ciemnej materii i 68% ciemnej energii. Ta misja, która rozpoczęła się już w 1920 roku dla niektórych, otrzymała nieoczekiwaną odpowiedź w późnych latach 90.
rozszerzający się wszechświat, pełen galaktyk i złożonej struktury, którą widzimy dzisiaj, powstał z mniejszej,… gorętszy, gęstszy, bardziej jednolity stan w przeszłości. Musi istnieć jakaś nowa forma energii napędzająca obecną fazę przyspieszonej ekspansji, poza znaną materią i promieniowaniem.
C. Faucher-Giguère, A. Lidz i L., Hernquist, Science 319, 5859 (47)
Jeśli więc ciemna energia dominuje nad ekspansją wszechświata, co to oznacza dla naszego losu? Wszystko zależy od tego, jak — lub czy — ciemna energia ewoluuje z czasem. Oto pięć możliwości.
1.) Ciemna energia jest dominującą w ekspansji stałą kosmologiczną. Jest to opcja domyślna, biorąc pod uwagę najlepsze dane, jakie mamy dzisiaj. Podczas gdy materia staje się mniej gęsta w miarę rozszerzania się Wszechświata, rozcieńczając się w miarę rozszerzania się objętości, ciemna energia reprezentuje niezerową ilość energii nieodłączną tkaninie samej przestrzeni., Gdy Wszechświat się rozszerza, gęstość ciemnej energii pozostaje stała, powodując, że szybkość ekspansji nie jest asymptotyczna, ale dodatnia.
prowadzi to do wykładniczo rozszerzającego się Wszechświata i ostatecznie odrzuca wszystko, co nie należy do naszej Lokalnej Grupy. Już teraz 97% widzialnego wszechświata jest nieosiągalne w tych warunkach.
Scenariusz Big Rip pojawi się, jeśli okaże się, że ciemna energia zwiększa siłę, pozostając jednocześnie… / align = „left” /
Jeremy Teaford/Vanderbilt University
2.,) Ciemna energia jest dynamiczna i z czasem staje się potężniejsza. Ciemna energia wydaje się być nową formą energii, która jest nieodłączna dla samej przestrzeni, sugerując, że ma stałą gęstość energii. Ale może się również zmieniać w czasie. Jednym z możliwych sposobów, w jaki może się zmieniać, jest to, że może się wzmacniać pod względem wielkości, co spowoduje, że tempo ekspansji Wszechświata przyspieszy się w czasie.
nie tylko bardziej odległe obiekty wydają się przyspieszać od nas, ale robią to w coraz większym tempie., Co gorsza, obiekty, które są dziś związane grawitacyjnie — jak gromady galaktyk, pojedyncze galaktyki, układ słoneczny, a nawet Atomy-wszystkie kiedyś staną się niezwiązane, gdy ciemna energia wzmocni się. W końcowych momentach wszechświata cząstki subatomowe i sama tkanina przestrzeni uległyby rozerwaniu. To” wielkie rozdarcie ” losu jest drugą możliwością.
chociaż gęstości energii materii, promieniowania i ciemnej energii są bardzo dobrze znane, nadal istnieje… dużo miejsca w równaniu stanu ciemnej energii., Może to być stała, ale może również zwiększyć lub zmniejszyć siłę w czasie.
Quantum Stories
3.) Ciemna energia jest dynamiczna i z czasem ulega rozpadowi. Jak inaczej ciemna energia mogłaby się zmienić? Zamiast wzmacniać, może osłabić. Oczywiście, tempo ekspansji jest zgodne ze stałą ilością energii należącą do samej przestrzeni, ale ta gęstość energii może również spadać.
Jeśli rozpadnie się do zera, może doprowadzić do jednej z oryginalnych możliwości wyrażonych powyżej: Wielkiego zamrożenia., Wszechświat nadal by się rozszerzał, ale bez wystarczającej ilości materii i innych form energii, aby przypomnieć sobie.
Jeśli jednak rozpadnie się, aby stać się negatywnym, może to prowadzić do innej możliwości: Wielkiego Kryzysu. Wszechświat mógł być wypełniony energią nieodłączną przestrzeni, która nagle zamieniała znaki i powodowała, że przestrzeń się cofała. Chociaż zakres czasowy tych zmian jest ograniczony do znacznie dłuższego czasu niż czas od Wielkiego Wybuchu, nadal może do niego dojść.
różne sposoby, w jakie ciemna energia może ewoluować w przyszłość. / Align = „left” / .., Siła (do Wielkiego Rozdarcia) może potencjalnie odmłodzić wszechświat, podczas gdy odwrócenie znaku może doprowadzić do Wielkiego Kryzysu.
NASA/CXC/M. Weiss
4.) Ciemna energia może przekształcić się w inną formę energii, odmładzając Wszechświat. Jeśli ciemna energia nie rozpada się, ale zamiast tego pozostaje stała, a nawet wzmacnia, pojawia się inna możliwość. Ta energia, nieodłączna tkance przestrzeni dzisiaj, może nie pozostać w tej formie na zawsze., Zamiast tego może zostać przekształcony w materię i promieniowanie, podobne do tego, co miało miejsce, gdy zakończyła się kosmiczna inflacja i rozpoczął się gorący Wielki Wybuch.
Jeśli ciemna energia pozostanie stała do tego momentu, stworzy bardzo, bardzo zimną i rozproszoną wersję gorącego Wielkiego Wybuchu, w której tylko neutrina i fotony mogą się tworzyć. Ale jeśli ciemna energia wzrośnie w sile, może to doprowadzić do stanu przypominającego inflację, a następnie do nowego, naprawdę gorącego Wielkiego Wybuchu po raz kolejny., Jest to najprostszy sposób na odmłodzenie wszechświata i stworzenie cyklicznego zestawu parametrów, w którym nowo stworzony Wszechświat dostaje kolejną szansę na zachowanie się tak, jak nasz.
najprostszym modelem inflacji jest to, że zaczęliśmy na szczycie przysłowiowego wzgórza, gdzie.. inflacja utrzymywała się i przetoczyła się do doliny, gdzie inflacja dobiegła końca i doprowadziła do gorącego Wielkiego Wybuchu., Jeśli ta dolina nie ma wartości zero, ale jakąś dodatnią, niezerową wartość, może być możliwe przejście kwantowe do stanu o niższej energii, co miałoby poważne konsekwencje dla wszechświata, który znamy dzisiaj.
E. Siegel / Beyond the Galaxy
5.) Ciemna energia jest związana z energią punktu zerowego próżni kwantowej i ulegnie rozpadowi, niszcząc znany nam Wszechświat. Jest to najbardziej destrukcyjna możliwość ze wszystkich., Co jeśli ciemna energia nie jest prawdziwą wartością pustej przestrzeni w konfiguracji najniższej energii, ale jest wynikiem symetrii we wszechświecie, które na początku rozpadły się na fałszywie minimalną konfigurację?
Jeśli tak, to byłby sposób na to, aby kwantowo tunel w stanie niższej energii, zmieniając prawa fizyki i niszcząc wszystkie stany związane (tj. cząstki) pól kwantowych dzisiaj. Jeśli próżnia kwantowa jest niestabilna w ten szczególny sposób, gdziekolwiek nastąpi ten rozpad, spowoduje zniszczenie wszystkiego we wszechświecie w bańce, która rozszerza się na zewnątrz z prędkością światła., Gdyby taki sygnał kiedykolwiek do nas dotarł, towarzyszyłby również naszemu natychmiastowemu zniszczeniu.
obszar wyświetlania Hubble ' a (lewy górny róg) w porównaniu do obszaru, który WFIRST będzie mógł oglądać, na… na tej samej głębokości, w tym samym czasie. Szeroki widok WFIRST pozwoli nam uchwycić większą liczbę odległych supernowych niż kiedykolwiek wcześniej, umożliwiając nam lepsze określenie i ograniczenie natury ciemnej energii.,
NASA / Goddard / WFIRST
chociaż nie wiemy, która z tych możliwości jest prawdziwa dla naszego wszechświata, dane są niewiarygodnie spójne z pierwszą opcją: ciemna energia naprawdę jest stała. W tej chwili, nasze obserwacje ewolucji Wszechświata-szczególnie z powodu kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła i wielkoskalowej struktury wszechświata-nakładają ścisłe ograniczenia na to, jak dużo miejsca jest na zmianę ciemnej energii.,
wraz z pojawieniem się flagowej misji ASTROFIZYCZNEJ NASA w 2020 roku, jesteśmy gotowi do zaostrzenia tego wiggle-room przez Być może inny czynnik 10 lub tak. Jeśli ciemna energia da jakieś wskazówki, że nasz los będzie inny niż ten, który przewidujemy dzisiaj, to obserwatorium będzie tym z największą szansą na naukowe ujawnienie tej nowej prawdy o naszym wszechświecie. Do tego czasu mamy tylko możliwości, które możemy rozważyć. Reszta zależy od nauki.