při rozluštění kosmické hádanky o tom, co je povaha temné energie, se budeme lépe učit… osud vesmíru. Zda temná energie změní sílu nebo znamení, je klíčem k poznání, zda skončíme ve velkém Ripu nebo ne.

Scenic Reflections Wallpaper

při pohledu na vesmír dnes je snadné být naprosto ohromen vším, co můžeme najít. Hvězdy na naší noční obloze jsou jen nepatrný zlomek-několik tisíc ze stovek miliard-toho, co je přítomno v naší Mléčné dráze., Samotná mléčná dráha je jen jedna osamělá galaxie z bilionů přítomných v pozorovatelném vesmíru, která se rozprostírá ve všech směrech asi 46 miliard světelných let.

a všechno to začalo asi před 13, 8 miliardami let z horkého, hustého, rychle se rozšiřujícího státu známého jako Velký třesk. To je první moment, v němž můžeme popsat náš Vesmír, jak byl plný hmoty a záření, a vykročil vpřed od státu s ohledem na známé zákony fyziky nám umožňuje vysvětlit, jak vesmír vzal jeho moderní tvar. Ale všechno se stále rozšiřuje, vytváří nové hvězdy a vyvíjí se. Jak to skončí?, Tady je to, co věda říká.

Standardní svíčky (L) a standardní pravítka (R) jsou dvě různé techniky astronomové používají pro měření… rozšíření prostoru v různých časech / vzdálenostech v minulosti. Na základě toho, jak se množství, jako je svítivost nebo úhlová velikost, mění se vzdáleností, můžeme odvodit historii expanze vesmíru. Použití metody svíčky je součástí dálkového žebříku, který poskytuje 73 km / s / Mpc. Použití pravítka je součástí metody časného signálu, čímž se získá 67 km / s / Mpc.,

NASA / JPL-Caltech

Po dlouhou dobu, vědci, kteří studovali strukturu a vývoj Vesmíru za tři možnosti, založené v jednoduché fyziky, Obecné teorie Relativity a kontextu rozšiřující se Vesmír. Na jedné straně, gravitace funguje tahat všechno dohromady; je to přitažlivá síla řídí hmoty a energie, ve všech jejich formách, přítomný v celém Vesmíru. Na druhou stranu je tu počáteční rychlost expanze, která pracuje na tom, aby vše rozdělila.,

Velký třesk označuje počáteční zbraň největší rasy všech dob: mezi gravitací a rychlostí expanze. Který z nich nakonec vyhraje v našem vesmíru? Odpověď na tuto otázku, klasická úvaha šla, by měla určit osud našeho vesmíru.

Vesmír, který dodržuje zákony relativity a je naplněna, izotropicky a homogenně, s… hmota a / nebo záření, nemůže být statické. Musí se rozšířit nebo uzavřít smlouvu, závisí na tom, co je uvnitř a v jakých částkách.

E., Siegel / Beyond the Galaxy

zde je to, co jsme si mysleli, že možnosti byly:

  1. vesmír si vzpomíná na velkou krizi. Rozšíření začíná rychle, a velké množství hmoty a záření pracovat, aby táhnout všechno dohromady. Pokud je více než dost hmoty a energie, vesmír se rozšíří na nějakou maximální velikost, expanze se obrátí ke kontrakci a vesmír se bude vzpomínat.
  2. vesmír se navždy rozšiřuje, což má za následek velké zmrazení., Všechno začíná stejně jako výše, pouze tentokrát je množství hmoty a energie nedostatečné k potlačení expanze. Vesmír se neustále rozšiřuje, protože rychlost expanze stále klesá, ale nikdy nedosáhne nuly.
  3. expanze vesmíru asymptotuje na nulu. Představte si hraniční situaci přímo mezi výše uvedenými dvěma příklady. Kdyby byl ještě jeden proton, vzpomněli bychom si; o jeden méně a navždy bychom expandovali. V tomto kritickém (nebo Zlatovláskovém) případě se vesmír rozšiřuje navždy,ale nejpomaleji.,

abychom věděli, který z nich byl správný, stačilo jen změřit, jak rychle se vesmír rozšiřoval a jak se tato rychlost expanze v průběhu času měnila. Fyzika by určila zbytek.

zatímco hmota a záření se stávají méně hustými, když se vesmír rozšiřuje kvůli rostoucímu objemu,… temná energie je forma energie vlastní samotnému prostoru. Jak se v rozšiřujícím se vesmíru vytváří nový prostor, hustota temné energie zůstává konstantní.

E. Siegel / Beyond the Galaxy

byl to jeden z velkých úkolů moderní astrofyziky., Změřte rychlost, s jakou se vesmír rozšiřoval, a víte, jak se dnes mění struktura prostoru. Změřte, jak se rychlost expanze v průběhu času změnila, a víte, jak se v minulosti změnila struktura prostoru.

dejte tyto dva kusy informací dohromady a způsob, jakým je rychlost expanze a také se změnila, vám umožní určit, z čeho je vesmír vytvořen a v jakých poměrech.

podle našeho nejlepšího vědomí, informovaného těmito měřeními, jsme zjistili, že vesmír je vyroben z asi 0,01% záření, 0,1% neutrin, 4.,9% normální hmoty, 27% temné hmoty a 68% temné energie. Tento úkol, který začal již v roce 1920 pro některé, dostal nečekanou odpověď v pozdní 1990.

rozšiřující Se Vesmír plný galaxií a složité struktury, které vidíme dnes, vznikl z menších,… teplejší, hustší, rovnoměrnější stav v minulosti. Musí existovat nějaká nová forma energie, která řídí současnou fázi zrychlené expanze, mimo známou hmotu a záření.

C. Faucher-Giguère, a. Lidz a L., Hernquist, Věda 319, 5859 (47)

Takže, pokud temná energie dominuje rozpínání Vesmíru, co to znamená pro náš osud? Vše záleží na tom, jak — nebo jestli — temná energie se vyvíjí s časem. Zde je pět možností.

1.) Temná energie je kosmologická konstanta dominující expanzi. Toto je výchozí možnost vzhledem k nejlepším datům, které máme dnes. Zatímco hmota se stává méně hustý jak Vesmír expanduje, ředění objem rozšiřuje, temná energie představuje nenulové množství energie, inherentní strukturu samotného prostoru., Jak se vesmír rozšiřuje, hustota temné energie zůstává konstantní, což způsobuje, že rychlost expanze není asymptota na nulu, ale pozitivní hodnota.

To vede k exponenciálně expandujícím Vesmíru, a bude nakonec tlačit pryč všechno, co není součástí naší místní skupiny. Již 97% viditelného vesmíru je za těchto podmínek nedosažitelné.

scénář Big Rip nastane, pokud zjistíme, že tmavá energie zvyšuje sílu a zůstává… negativní ve směru, v průběhu času.

Jeremy Teaford / Vanderbilt University

2.,) Temná energie je dynamická a postupem času roste silnější. Temná energie se jeví jako nová forma energie, která je vlastní samotnému prostoru, což znamená, že má konstantní hustotu energie. Časem by se to ale také mohlo měnit. Jedním z možných způsobů, jak by se to mohlo změnit, je to, že by to mohlo posílit velikost, což by způsobilo, že se rychlost expanze vesmíru časem zrychlí.

nejen, že by se vzdálenější objekty od nás zrychlily, ale činily by to stále častěji., Ještě horší, objekty, které jsou nyní gravitačně vázány dnes — jako kupy galaxií, jednotlivé galaxie, sluneční soustavy, a dokonce i atomy — by jednoho dne stát bez závazků jako temná energie posílena. V posledních okamžicích vesmíru by se subatomární částice a samotná struktura vesmíru rozpadly. Tento“ velký “ osud je druhou možností.

zatímco energetické hustoty hmoty, záření a temné energie jsou velmi dobře známy, stále existuje… spousta kroutit prostor v rovnici stavu temné energie., Může to být konstanta, ale v průběhu času by to mohlo také zvýšit nebo snížit sílu.

kvantové příběhy

3.) Temná energie je dynamická a časem se rozpadá. Jak jinak by se mohla temná energie změnit? Místo posilování by mohlo oslabit. Jistě, rychlost expanze je v souladu s konstantní množství energie, které patří na samotný prostor, ale tato hustota energie může být vrácení.

Pokud se rozpadne na nulu, mohlo by to vést k jedné z původních možností vyjádřených výše: velkému zmrazení., Vesmír by se stále rozšiřoval, ale bez dostatečného množství hmoty a dalších forem energie, které by si vzpomněly.

Pokud se rozpadne, aby se stala negativní, mohlo by to však vést k další z možností: velké krizi. Vesmír by mohl být naplněn energií, která je vlastní vesmíru, která náhle změnila znamení a způsobila, že se prostor vzpamatoval. Zatímco časový plán pro tyto změny je nucen být daleko delší, než čas od Velkého Třesku, mohlo by ještě dojít.

různé způsoby, jak by se temná energie mohla vyvinout do budoucnosti. Zůstává konstantní nebo se zvyšuje…, síla (do velkého Ripu) by mohla potenciálně omladit vesmír, zatímco obrácené znamení by mohlo vést k velké krizi.

NASA/CXC/m. Weiss

4.) Temná energie by mohla přejít do jiné formy energie, omlazující vesmír. Pokud se temná energie nerozkládá, ale místo toho zůstává konstantní nebo dokonce posiluje, vzniká další možnost. Tato energie, která je dnes vlastní struktuře prostoru, nemusí zůstat v této podobě navždy., Místo toho by se mohla přeměnit na hmotu a záření, podobné tomu, co se stalo, když skončila kosmická inflace a začal horký velký třesk.

Pokud temná energie zůstane konstantní až do tohoto bodu, vytvoří velmi, velmi chladnou a rozptýlenou verzi horkého velkého třesku, kde se mohou vytvářet pouze neutrina a fotony. Ale pokud temná energie zvýší sílu,může to vést k inflačnímu stavu následovanému novým, skutečně horkým Velkým třeskem., To je nejjednodušší způsob, jak omladit vesmír a vytvořit cyklickou sadu parametrů, kde nově vytvořený vesmír dostane další šanci chovat se stejně jako náš.

nejjednodušší model inflace je, že jsme začali na vrcholu příslovečného kopce, kde… inflace přetrvávala a valila se do údolí, kde inflace skončila a vyústila v horký velký třesk., Pokud to údolí není na hodnotu nula, ale místo toho se na některé pozitivní, nenulovou hodnotu, je možné kvantový tunel v nižší energetické stavu, což by mělo závažné důsledky pro Vesmír známe dnes.

E. Siegel / Beyond the Galaxy

5.) Temná energie souvisí s nulovou bodovou energií kvantového vakua a rozpadne se a zničí vesmír, který známe. To je nejničivější možnost ze všech., Co když temná energie není skutečnou hodnotu prázdný prostor v nejnižší energetické konfigurace, ale je důsledkem symetrie na počátku Vesmíru má zlomený do falešného-minimální konfigurace?

Pokud ano, existoval by způsob, jak kvantově tunelovat do stavu s nižší energií, měnit fyzikální zákony a ničit všechny vázané stavy (tj. částice) kvantových polí dnes. Pokud je kvantové vakuum tímto způsobem nestabilní, všude tam, kde k tomuto rozpadu dojde, bude mít za následek zničení všeho ve vesmíru v bublině, která se rozšiřuje směrem ven rychlostí světla., Pokud by se k nám takový signál vůbec dostal, doprovázela by ho i naše okamžitá destrukce.

pozorovací oblast Hubble (vlevo nahoře)ve srovnání s oblastí, kterou WFIRST bude moci zobrazit, at… stejná hloubka, ve stejném čase. Široký pohled na WFIRST nám umožní zachytit větší počet vzdálených supernov než kdy předtím, což nám umožní lépe určit a omezit povahu temné energie.,

NASA / Goddard / WFIRST

i když nevíme, která z těchto možností platí pro náš Vesmír, data je neuvěřitelně konzistentní s první možnost: temná energie skutečně být konstantní. Právě teď, naše pozorování, jak se Vesmír vyvinul, zejména v důsledku kosmického mikrovlnného záření na pozadí a rozsáhlé struktury Vesmíru — místo přísná omezení na to, jak moc kroutit pokoj je pro temné energie změnit.,

s nadcházejícím příchodem vlajkové lodi astrophysics mise NASA 2020, WFIRST, jsme připraveni zpřísnit tuto wiggle-room o možná další faktor 10 nebo tak nějak. Pokud temná energie nabízí nějaké náznaky, že náš osud bude lišit od té, kterou jsme dnes předvídat, že observatoř bude ten s nejlepší šanci vědecky odhalit tuto novou pravdu o našem Vesmíru. Do té doby, vše, co máme, jsou možnosti, které víme, aby zvážila. Zbytek je na vědě.