โพรบ SuperNova / Acceleration, SNAP เครดิตรูปภาพ: Berkeley Lab คลิกเพื่อขยาย
พลังงานมืดอันลึกลับที่ทำให้เกิดการขยายตัวของเอกภพคืออะไร? มันเป็นรูปแบบหนึ่งของค่าคงตัวทางจักรวาลที่มีชื่อเสียงของ Einstein หรือว่าเป็นแรงผลักดันที่แปลกใหม่ขนานนาม“ แก่นสาร” ที่สามารถชดเชยได้ถึงสามในสี่ของจักรวาล? นักวิทยาศาสตร์จากห้องทดลองแห่งชาติลอเรนซ์บาร์กลีย์ (บาร์กลีย์แล็บ) และวิทยาลัยดาร์ตมั ธ เชื่อว่ามีวิธีในการค้นหา
ในบทความที่ตีพิมพ์ใน Physical Review Letters นักฟิสิกส์ Eric Linder แห่ง Berkeley Lab และ Robert Caldwell of Dartmouth แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองฟิสิกส์ของพลังงานมืดสามารถแยกออกเป็นสถานการณ์ที่แตกต่างกันซึ่งสามารถใช้ในการแยกแยะค่าคงที่ทางดาราศาสตร์ของ Einstein พลังงานมืด ยิ่งไปกว่านั้นนักวิทยาศาสตร์ควรสามารถกำหนดได้ว่าสถานการณ์ใดถูกต้องกับการทดลองที่วางแผนไว้สำหรับ Joint Dark Energy Mission (JDEM) ที่เสนอโดย NASA และกระทรวงพลังงานของสหรัฐฯ
“ นักวิทยาศาสตร์โต้เถียงคำถาม ‘เราต้องวัดพลังงานมืดอย่างแม่นยำเพื่อรู้ว่ามันคืออะไร” Linder กล่าว “ สิ่งที่เราทำในกระดาษของเราคือแนะนำขีด จำกัด ความแม่นยำสำหรับการวัด โชคดีที่ข้อ จำกัด เหล่านี้ควรอยู่ในช่วงของการทดลอง JDEM”
Linder และ Caldwell เป็นสมาชิกของทีมนิยามวิทยาศาสตร์ DOE-NASA สำหรับ JDEM ซึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบในการร่างข้อกำหนดทางวิทยาศาสตร์ของภารกิจ Linder เป็นผู้นำกลุ่มทฤษฎีสำหรับ SNAP หรือไม่? SuperNova / Acceleration Probe หนึ่งในยานพาหนะที่เสนอเพื่อการปฏิบัติภารกิจ JDEM คาลด์เวลล์ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่ดาร์ทเมาท์เป็นหนึ่งในผู้สร้างแนวคิดเรื่องแก่นสาร
ในบทความของพวกเขาใน Physical Review Letters Linder และ Caldwell อธิบายสองสถานการณ์หนึ่งที่พวกเขาเรียกว่า "การละลาย" และอีกคนหนึ่งเรียกว่า "การแช่แข็ง" ซึ่งชี้ไปที่ชะตากรรมที่แตกต่างกันอย่างชัดเจนสำหรับจักรวาลที่ขยายอย่างถาวรของเรา ภายใต้สถานการณ์การละลายการเร่งความเร็วของการขยายตัวจะค่อยๆลดลงและในที่สุดก็หยุดเหมือนรถเมื่อผู้ขับขี่คลายคันเร่ง การขยายตัวอาจดำเนินต่อไปช้ากว่านี้หรือจักรวาลอาจจะทำการปรับสภาพใหม่ ภายใต้สถานการณ์แช่แข็งการเร่งความเร็วจะดำเนินต่อไปอย่างไม่มีกำหนดเช่นรถยนต์ที่เหยียบคันเร่งไปที่พื้น เอกภพจะกระจายตัวมากขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งในที่สุดกาแลคซีของเราจะพบตัวเองอยู่ในอวกาศ
หนึ่งในสองสถานการณ์นี้กฏเกณฑ์ค่าคงที่ทางดาราศาสตร์ของ Einstein ในรายการ Linder and Caldwell ของพวกเขาเป็นครั้งแรกวิธีแยกไอเดียของไอน์สไตน์ออกจากความเป็นไปได้อื่น ๆ อย่างหมดจด อย่างไรก็ตามในสถานการณ์ใด ๆ พลังงานมืดเป็นพลังที่ต้องคำนึงถึง
Linder กล่าวว่า“ เนื่องจากพลังงานมืดประกอบขึ้นประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์ของเนื้อหาของเอกภพมันจึงครอบงำเนื้อหาของเรื่อง นั่นหมายถึงพลังงานมืดจะควบคุมการขยายตัวและในที่สุดก็กำหนดชะตากรรมของจักรวาล”
ในปี 1998 กลุ่มวิจัยสองกลุ่มได้เขย่าวงการจักรวาลวิทยาด้วยการประกาศอย่างเป็นอิสระว่าการขยายตัวของเอกภพกำลังเร่งขึ้น ด้วยการวัดการเปลี่ยนแปลงของแสงจากซูเปอร์โนวา Type Ia ดวงดาวในอวกาศที่ระเบิดด้วยพลังงานพิเศษทีมจากโครงการจักรวาลซูเปอร์โนวามีสำนักงานใหญ่ที่ Berkeley Lab และทีมค้นหาซูเปอร์โนวา High-Z ที่ศูนย์กลางที่ออสเตรเลียระบุว่าการขยายตัวของเอกภพ กำลังเร่งจริง ๆ ไม่ชะลอตัว พลังที่ไม่รู้จักที่อยู่เบื้องหลังการขยายตัวเร่งนี้ได้รับชื่อ "พลังงานมืด"
ก่อนการค้นพบพลังงานมืดภูมิปัญญาทางวิทยาศาสตร์แบบดั้งเดิมถือได้ว่าบิ๊กแบงส่งผลให้เกิดการขยายตัวของเอกภพที่จะค่อยๆชะลอตัวลงด้วยแรงโน้มถ่วง หากเนื้อหาในจักรวาลให้แรงดึงดูดมากพอวันหนึ่งการขยายตัวก็จะหยุดไปโดยสิ้นเชิงและจักรวาลก็จะพังทลายลงมาในวิกฤติครั้งใหญ่ หากแรงโน้มถ่วงจากสสารไม่เพียงพอที่จะหยุดการขยายตัวได้อย่างสมบูรณ์เอกภพก็จะยังคงลอยอยู่ตลอดไป
“ จากการประกาศในปี 2541 และการวัดที่ตามมาตอนนี้เรารู้แล้วว่าการขยายตัวที่เร่งตัวของเอกภพไม่ได้เริ่มขึ้นจนกระทั่งในช่วง 10 พันล้านปีที่ผ่านมา” Caldwell กล่าว
ตอนนี้นักดาราศาสตร์กำลังสำรวจเพื่อกำหนดว่าพลังงานมืดคืออะไร ใน 1,917 Einstein แก้ไขทฤษฎีทั่วไปของเขาของทฤษฎีสัมพัทธภาพกับค่าคงที่เกี่ยวกับดาราศาสตร์ซึ่งหากค่าถูกต้องจะช่วยให้จักรวาลอยู่ในสถานะสมดุลสมบูรณ์แบบคงที่. แม้ว่านักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงที่สุดในประวัติศาสตร์จะเรียกการเพิ่มค่าคงที่นี้ว่า“ ความผิดพลาดที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของเขา” การค้นพบพลังงานมืดได้ฟื้นความคิด
“ ค่าคงที่ทางจักรวาลนั้นเป็นพลังงานสุญญากาศ (พลังงานของพื้นที่ว่าง) ที่ป้องกันแรงโน้มถ่วงจากการดึงเอกภพเข้ามาในตัวมันเอง” ลินเดอร์กล่าว “ ปัญหาของค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยาคือค่าคงที่มีความหนาแน่นพลังงานความดันและสมการสถานะในช่วงเวลาเดียวกัน อย่างไรก็ตามพลังงานมืดจะต้องไม่สำคัญในช่วงแรกสุดของจักรวาล ไม่อย่างนั้นกาแลคซีและดวงดาวทั้งหลายจะไม่ก่อตัวขึ้น”
สำหรับค่าคงที่ทางดาราศาสตร์ของไอน์สไตน์เพื่อให้เกิดจักรวาลที่เราเห็นทุกวันนี้ระดับพลังงานจะต้องมีขนาดที่เล็กกว่าสิ่งอื่นใดในเอกภพ ในขณะนี้อาจเป็นไปได้ Linder พูดว่ามันดูเหมือนจะไม่ เข้าสู่แนวคิดของ "แก่นสาร" ที่ตั้งชื่อตามองค์ประกอบที่ห้าของชาวกรีกโบราณนอกเหนือไปจากอากาศดินไฟและน้ำ พวกเขาเชื่อว่าเป็นพลังที่ยึดดวงจันทร์และดวงดาวไว้กับที่
“ แก่นสารเป็นพลังงานรูปแบบที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาและขึ้นอยู่กับอวกาศโดยมีแรงดันติดลบเพียงพอที่จะขับเคลื่อนการขยายตัวที่เร่งตัวขึ้น” คาลด์เวลล์กล่าว “ ในขณะที่ค่าคงที่จักรวาลเป็นรูปแบบของพลังงานที่เฉพาะเจาะจงมาก? พลังงานสูญญากาศ? แก่นสารที่ครอบคลุมความเป็นไปได้ที่หลากหลาย”
เพื่อ จำกัด ความเป็นไปได้สำหรับการเป็นแก่นสารและกำหนดเป้าหมายการทดสอบขั้นพื้นฐานที่แน่นอนซึ่งจะยืนยันว่าผู้สมัครเป็นแหล่งพลังงานมืด Linder และ Caldwell ใช้สนามเซนต์คิตส์และเนวิสเป็นแบบจำลองของพวกเขา สนามเซนต์คิตส์และเนวิสมีการวัดค่า แต่ไม่ใช่ทิศทางสำหรับทุกจุดในอวกาศ ด้วยวิธีการนี้ผู้เขียนสามารถแสดงแก่นสารเป็นสนามเซนต์คิตส์และเนวิสเพื่อผ่อนคลายพลังงานที่อาจเกิดขึ้นได้จนถึงค่าต่ำสุด ลองนึกถึงชุดสปริงที่อยู่ภายใต้ความตึงเครียดและพยายามสร้างแรงกดดันด้านลบที่ต่อต้านแรงโน้มถ่วงในเชิงบวก
“ สนามเซนต์คิตส์และเนวิสเป็นเหมือนสนามสปริงที่ปกคลุมทุกจุดในอวกาศโดยสปริงแต่ละอันจะมีความยาวต่างกัน” ลินเดอร์กล่าว “ สำหรับค่าคงที่ทางดาราศาสตร์ของ Einstein แต่ละฤดูใบไม้ผลิจะมีความยาวเท่ากันและไม่มีการเคลื่อนไหว”
ภายใต้สถานการณ์การละลายของพวกเขาพลังงานที่อาจเกิดขึ้นของสนามแก่นสารเป็น "แช่แข็ง" ในสถานที่จนกระทั่งความหนาแน่นของวัสดุที่ลดลงของเอกภพที่กำลังขยายตัวค่อยๆปล่อยออกมา ในสถานการณ์การเยือกแข็งสนามแก่นสารได้เคลื่อนไปสู่ศักยภาพขั้นต่ำของมันตั้งแต่จักรวาลได้รับภาวะเงินเฟ้อ แต่เมื่อมันเข้ามาครอบครองจักรวาลมันจึงค่อยๆกลายเป็นค่าคงที่
ข้อเสนอ SNAP นั้นอยู่ในการวิจัยและพัฒนาโดยนักฟิสิกส์นักดาราศาสตร์และวิศวกรที่ Berkeley Lab โดยความร่วมมือกับเพื่อนร่วมงานจากมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียที่ Berkeley และสถาบันอื่น ๆ มันเรียกร้องให้กล้องโทรทรรศน์ส่องกระจกสามเมตรยาวสองวงโคจรในห้วงอวกาศที่จะใช้ในการค้นหาและตรวจสอบซูเปอร์โนวาประเภท Ia หลายพันดวงในแต่ละปี การวัดเหล่านี้ควรให้ข้อมูลที่เพียงพอที่จะชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนต่อสถานการณ์การละลายหรือการแช่แข็ง? หรืออย่างอื่นที่ใหม่และไม่รู้จัก
Linder กล่าว“ ถ้าผลลัพธ์จากการวัดเช่นสิ่งที่สามารถทำด้วย SNAP นั้นอยู่นอกสถานการณ์การละลายหรือการแช่แข็งเราอาจต้องมองข้ามแก่นสารบางทีอาจจะเป็นฟิสิกส์ที่แปลกใหม่เช่นการดัดแปลงทฤษฎีทั่วไปของไอน์สไตน์ ของสัมพัทธภาพเพื่ออธิบายพลังงานมืด”
แหล่งที่มาดั้งเดิม: Berkeley Lab News Release
